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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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  2、SLM技术发展现状

  2.1、SLM技术国外发展现状

  SLM技术由SLS技术发展而来,技术较为成熟且已研制出了商用的设备。目前,对SLM技术的研究主要有德国、日本、比利时、美国等国家,并研制出了可商用的设备,如美国的PHENIX公司;德国的TRUMPF、EOS、MCP等公司[17]、日本的MATSUUR公司等。

  1995年德国Fraunhofer研究所首次提出SLM增材制造技术,经过近7年的技术研究,于2002年成功利用SLM工艺制造出了组织致密、成形精度高、力学性能良好的金属零件,并进行了商业推广。目前,在德国已有多家公司及单位推出了SLM设备。如德国的ILT与TRUMPF公司合作开发的SLM设备。该设备采用半导体泵浦Nd:YAG250W盘形激光器,激光波长为1030nm,光斑大小可变范围在20~40μm[18]。德国EOS公司推出的EOSM400设备。该设备采用Yb-fibre激光器,功率为1kW,最小光斑为90μm,最大扫描速度可达7m/s。德国MCP公司推出的MCPRealizer设备,该设备采用固体光纤激光器,功率为100W,加工层厚度可达到30μm[19-20],可应用于金属片挤压工具、压铸模具、喷射模具和部分金属的快速成型。

  日本Osakada实验室研制的SLM设备采用Nd:YAG激光器,峰值功率3kW,平均功率50W,频率为50Hz,光斑直径为0.75mm。SLM铺层厚度为0.1mm,阵镜扫描速度3~4m/s。研制的金属零件致密度为92%;抗拉强度较高,但抗疲劳性能较差。另外,MATSUURA公司制造的SLM设备采用500W脉冲式CO:激光器,激光波长10640nm,能量峰值达1.5kW,频率可达100kHz。激光器光斑大小60μm[21]。

  比利时鲁汶大学对SLM技术进行了深入研究,研发的SLM装备采用300W连续波或Q调Nd-YAG激光器,激光波长为1064nm,振镜扫描速度最高可达5000mm/s;SLM最小铺粉层厚可达10μm[22]。

  2.2、SLM技术国内发展现状

  在SLM技术研究方面,在国家的项目支撑下,国内很多高校都开展了相关的研究,如华中科技大学、华南理工大学等,并取得了可喜的成绩。

  华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室及武汉光电国家实验室是国内最早从事SLM技术的研究工作的单位之一。随着SLM关键技术的不断突破及在SLM系统制造技术上不断创新,目前两个国家实验室都已成功研制出了自己的SLM设备,并生产出了高精度的零件。成形与模具技术国家重点实验室先后推出了两套SLM设备:HRPM-I和HRPM-IIA。HRPM-I设备采用IPG连续模式200W激光器,三维动态聚焦扫描阵镜,成形空间尺寸为250mm×250mm×250mm;HRPM-IIA设备采用IPG连续模式500W激光器,三维动态聚焦扫描阵镜,成形空间尺寸为250mm×250mm×250mm。设备制造的镍基高温合金致密度可达到99%以上;最大拉伸强度超过100MPa,超过同质锻件标准;零件表面粗糙度Ra达到20μm。另外,还生产出了多孔零件(长136mm×宽20mm×高25mm壁厚0.1mm)、发动机叶片、旋流器喷嘴等样件。武汉光电国家实验室自主设计和制造了NRD-SLM-Ⅰ、NRD-SLM-Ⅱ等设备。其中NRD-SLM-Ⅰ型设备成形尺寸范围:80mm×80mm×60mm;NRD-SLM-Ⅱ型设备成形尺寸范围:320mm×250mm×250。生产的零件最小壁厚可达0.13mm,表面粗糙度Ra为5~10μm,尺寸精度为±0.05mm,材料的致密度近乎100%。利用SLM技术,武汉光电国家实验室成功实现了多种薄壁网格结构、流道变截面零部件、多层复合整体叶轮、单叶轮零部件等样件3D打印,如图6所示。

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