金屬3D打印技術在航空領域的發展與應用(3)
時間：2017-03-06 20:18 來源：3D科學谷 作者：中國3D打印網 閱讀：次
電子束選區熔化技術是指電子束在偏轉線圈驅動下按預先規劃的路徑掃描，熔化預先鋪放的金屬粉末；完成一個層面的掃描后，工作艙下降一層高度，鋪粉器重新鋪放一層粉末，如此反復進行，層層堆積，直到制造出需要的金屬零件，整個加工過程均處于10-2Pa 以上的真空環境中，能有效避免空氣中有害雜質的影響。
電子束選區熔化技術特點如下：
（1）真空工作環境，能避免空氣中雜質混入材料。
激光選區熔化增材成形技術
（2）電子束掃描控制依靠電磁場，無機械運動，可靠性高，控制靈活，反應速度快。
（3）成形速度快，可達60cm3/h，是激光選區熔化的數倍。
（4）可利用電子束掃描、束流參數實時調節控制零件表面溫度，減少缺陷與變形。
（5）良好的控溫性能使其能夠加工TiAl 等金屬間化合物材料。
（6）尺寸精度可達±0.1mm，表面粗糙度約在R a15~50 之間，基本近凈成形。
（7）真空環境下成形，無需消耗保護氣體，僅消耗電能及不多的陰極材料，且未熔化的金屬粉末可循環使用，因此可降低生產成本。
（8）可加工鈦合金、銅合金、鈷基合金、鎳基合金、鋼等材料。
電子束選區熔化技術源于20世紀90 年代初期的瑞典，瑞典Chalmers 工業大學與Arcam 公司合作開發了電子束選區熔化快速成形（Electron BeamMelting，EBM）技術，并以CAD-to-Metal 申請了專利。2003 年，Arcam 公司獨立開發了EBM設備。目前以制造EBM 設備為主，產品已成系列，兼顧成形技術開發。美國、日本、英國、德國、意大利等許多研究機構、工廠、大學從該公司購置了EBM 設備，在航空、航天、醫療、汽車、藝術造型等不同領域開展研究，其中，生物醫學植入物方面的研究較為成熟。近年來，在航空航天領域的應用也迅速興起，美國波音公司、Synergeering group 公司、CalRAM 公司、意大利Avio 公司等針對火箭發動機噴管、承力支座、起落架零件、發動機葉片等開展了大量研究，有的已批量應用，材料主要銅合金、Ti6Al4V、TiAl 合金等。由于材料對電子束能量的吸收率高且穩定，因此，電子束選區熔化技術可以加工一些特殊合金材料。
電子束選區熔化技術可用于航空發動機或導彈用小型發動機多聯葉片、整體葉盤、機匣、增壓渦輪、散熱器、飛行器筋板結構、支座、吊耳、框梁、起落架結構的制造，其共同特點是結構復雜，用傳統方法加工困難，甚至無法加工。其局限在于只能加工小型零件。目前世界上最大的電子束選區熔化設備是Arcam 公司的A2XX 型設備有效加工范圍為φ 350mm×380mm。
清華大學在國內較早開展了相關研究，并開發了裝備。近年來，西北有色金屬研究總院、中科院金屬研究所、北京航空航天大學、北京艾康儀誠等單位 利用Arcam 公司生產的設備開展了研究，涉及多孔材料、醫學應用等領域。自2007 年以來，在航空支撐及國防預研基金等項目支持下，中航工業北京航空制造工程研究所針對航空應用開展了鈦合金、TiAl 合金的研究。開發了電子束精確掃描技術、精密鋪粉技術、數據處理軟件等裝備核心技術。針對飛行器結構輕量化需求，重點研究了鈦合金的力學性能及空間點陣結構的承載性能和變形失效行為，目前正進行飛機復雜鈦合金接頭及TiAl 葉片的電子束選區熔化制造技術研究，
激光選區熔化增材成形技術
激光選區熔化成形技術原理與電子束選區熔化技術類似，通過把零件3D 模型沿一定方向離散成一系列有序的微米量級薄層，以激光為熱源，逐層熔化金屬粉末，直接制造零件。利用該技術可以制造出傳統方法無法加工的任意形狀的復雜結構，如輕質點陣夾芯結構、空間曲面多孔結構、復雜型腔流道結構等。在航空、航天領域，可用于制造火箭發動機燃料噴嘴、航空發動機超冷葉片、小型發動機整體葉輪、輕質接頭等，同時還可用于船舶、兵器、核能、電子器件、醫學植入等各個領域，具有廣泛的應用前景。相較于電子束選區熔化技術，激光選區熔化由于所使用的粉末尺寸小，因此具有很高的尺寸精度和表面質量。
激光選區熔化增材成形技術由激光選區燒結技術發展而來。20 世紀80 年代以來，經歷了低熔點非金屬粉末燒結、低熔點包覆高熔點金屬粉末燒結、高熔點金屬粉末直接熔化成形等階段。激光選區燒結成形主要用于蠟模、砂模等制造，為精密鑄造提供模型。這種原型表面粗糙，疏松多孔，還需要經過高溫重熔或滲金屬填補孔隙等以后才能使用。隨著激光技術的發展以及高亮度光纖激光器出現，國內外金屬激光選區熔化增材成形技術發展突飛猛進。近幾年來，英國、德國、法國、美國、瑞典等國外發達國家先后開GH4169、AlSi10Mg、CoCr、TC4 等合金金屬復雜結構的激光選區熔化增成形設備，并開展應用基礎研究。國外著名R-R、GE、P&W、MTU、Boeing、EADS、Airbus 等航空航天武器裝備已利用此技術開發商業化的金屬零部件。
需要關注的方面
增材制造技術以其與傳統去除成形和受迫成形完全不同的理念迅速發展成了制造技術領域新的戰略方向。金屬零件的高能束流增材制造在航空航天領域的研究和應用也越來越廣泛，在先進制造技術發展的同時，也促進了結構設計思想的解放和提升，兩者的相互促進必將對未來飛行器制造技術領域造成深刻影響。隨著我國綜合國力的發展，包括航空在內的國防武器裝備的開發逐漸加速，增材制造技術迎來了高速發展的階段，未來的應用前景十分廣闊。但目前實際應用還比較少，尚處于技術成長期，為了推進技術的應用和發展，需要關注以下幾個方面。
（1）內部質量和力學性能的均勻性、穩定性和可靠性。由于高能束流增材制造過程集材料制備和零件成形于一體，零件的尺寸、形狀、擺放位置、熱參數、加工路徑等對內部缺陷和組織的形成具有重要影響，每個零件的形成過程都具有一定的特殊性，因此，需要經過多批次、大量的試驗考核，確定并固化從材料、成形到后處理的各個技術環節，以實現零件性能的穩定性。
（2）與用戶的充分溝通，形成獨立的標準。增材制造技術實現過程不同于傳統的制造技術，其制備的零件性能也與傳統的鍛件、鑄件有明顯差異，不能完全用傳統技術的評價方法對增材制造技術進行評定。通過溝通讓用戶充分了解增材制造技術的優缺點，獲得用戶對產品性能的具體要求并有針對性的進行滿足，形成針對增材制造的零件質量評價標準，對于促進增材制造技術的應用十分重要。
（3）成本、效益的兼顧。并非所有的零件都適于采用增材制造方法，在進行應用技術開發時，需要選擇合適的應用對象。綜合考慮成本、效益與周期等因素，在航空領域，適宜采用高能束流增材制造技術加工的零件種類主要有復雜形狀結構、超規格結構、需要快速研制的結構以及可明顯降低成本的結構等。
（以上信息作者：鞏水利 來源：航空制造技術）
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