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金属材料激光增材制造技术及在航空发动机上的应用

2014-12-26 08:29
Minor昔年
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  金属材料增材制造发展现状

  1、LMD技术发展现状

  1.1、LMD技术国外发展现状

  增材制造技术发展经历了3个阶段,1892~1988年的技术孕育期、1988年开始的快速原型技术及20世纪90年代初期以来的直接增材制造。1979年,UTRC提出激光立体成形技术概念并制作出航空发动机涡轮盘模拟件;1994年起,Rolls-Royce探索航空发动机零件激光成形,另外英国利物浦大学和美国密西根大学、加拿大国家研究委员会集成制造技术研究所、瑞士洛桑理工学院、美国Sandia国家实验室、美国Los-Alamos国家实验室、美国Aeromet公司、美国宾州大学、英国伯明翰大学等都相继开展研究[7-10]。由于LMD同轴送粉效率高,材料致密性好,因此,越来越多的用于大型零件的增材制造及零件修复工作。

  国外有关大型零件增材制造技术的研究主要集中在美国。1995~2005年间,在美国国防部先进研究计划署及海军研究办公室等部门的巨额资助下,美国约翰哈普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学及MTS公司等对飞机钛合金结构件激光快速成形技术进行了大量研究并取得重大进展[11-12],在此基础上,1998年由MTS公司独资成立了专门从事飞机钛合金结构件激光快速成形制造技术研发和工程化应用的AeroMet公司,与波音、洛克希德·马丁及诺斯罗普·格鲁曼等美国三大军用飞机制造商合作,在美国空军“锻造计划”(AirForce’sForgingInitiative)、陆军制造技术计划(Army’sMantechProgram)、国防部“军民两用科技计划”(DualUseScienceandTechnologyProgram)等资助下,致力于飞机钛合金结构件激光快速成形技术研究及其在飞机上的应用关键技术研究。2000年9月在波音和洛克希德·马丁公司完成了对激光直接成形钛合金全尺寸飞机机翼次承力结构件研究,构件静强度及疲劳强度达到飞机设计要求;2001年为波音公司F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机验证机小批量试制了发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等飞机钛合金次承力结构件[1],其中F/A-l8E/F翼根吊环满足疲劳寿命谱4倍要求,随后静力加载到225%也不破坏;2002年实现激光快速成形钛合金次承力结构件在F/A-18验证机上的装机应用。此外,美国还将应用于F-22接头的制造,试验结果表明其疲劳寿命高出寿命谱的两倍。

  在LMD技术取得一定突破的时候,国外还将该技术广泛用于损伤零件的修复,包括飞机零部件腐蚀零件、航空发动机磨损等零件的修复。美国AeroMet公司采用激光成形技术完成了F15战斗机中机翼梁的检修;美国OptomecDesign公司,采用激光成形技术进行了T700美国海军飞机发动机零件的磨损修复;瑞士洛桑理工学院采用激光成形技术修复单晶涡轮叶片。

  1.2、LMD技术国内发展现状

  我国在金属材料增材制造领域研究起步较早,技术研究及应用方面具有良好的基础,特别是在国家自然科学基金“重点项目”、国家“973”项目、国家“863”等重要研究计划重点支持下,增材制造技术得以快速发展。整个研究工作主要集中于北京航空航天大学、西北工业大学、北京有色金属研究总院、华中科技大学、清华大学等单位。其中在LMD技术领域上主要以北京航空航天大学、西北工业大学等少数几家单位。

  在“十五”期间,北京航空航天大学突破了飞机钛合金次承力结构件激光快速成形工艺及应用关键技术,构件疲劳、断裂韧性等主要力学性能达到钛合金模锻件水平,2005年成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒、TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4种飞机钛合金次承力结构件(如图1所示)在3种飞机上的装机应用。

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