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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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  华南理工大学与北京隆源自动化成型设备有限公司及武汉楚天工业激光设备有限公司合作,在国内选择性激光烧结设备的基础上进行改进,开发了一种SLM快速成型设备。该设备采用了额定功率200W、平均输出功率100W的半导体泵浦YAG激光器,通过透镜组将激光束光斑直径聚焦到100μm左右。采用高精度丝杆控制铺粉,铺粉厚度控制精确,误差在±0.01mm以内。采用整体和局部惰性气体保护的方法。所用软件包括AT6400电机控制软件、Arps2000扫描路径生成与优化软件、Afswin240操作系统软件等。该设备的成型空间为80mm×80mm×50mm,制件尺寸精度达到±0.01mm。表面粗糙度Ra为30~50μm,相对密度接近100%[23]。

  金属材料增材制造在航空发动机上应用及发展趋势

  LMD和SLM技术具有高柔性化、设计制造一体化、高度自动化等特点,大大缩短零件的制造周期。材料使用广泛,可用于铝基、铁基、钴基、镍基、钛基、铌基材料;铼、铱、钽、钨等难熔金属;铜-铝、TiAl等金属间化合物;NiTi等高加工硬化率材料,给传统的零件加工开辟出了一条崭新的道路。目前,增材制造技术已广泛应用于飞机零部件制造及零件修复。在飞机零部件制造上,已完成F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机验证机发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等,F/A-l8E/F翼根吊环F-22接头,C919大飞机翼肋TC4上、下缘条、机角盒、飞机座椅支座及腹鳍接头等试制及部分零件装机应用。在零件修复上,成功用于F15战斗机中机翼梁的检修、T700美国海军飞机发动机零件的磨损修复、单晶涡轮叶片修复、铝合金导向叶片修复等。

  随着金属材料增材制造技术的不断发展和突破,该技术必将应用于零件复杂程度更高、零件工作环境更苛刻、可靠性要求更高的航空发动机上。目前,世界航空发动机垄断巨头GE、PW、RR等公司都已将目光锁定在了该技术上,并增大在增材制造方面的研制投入。GE公司打出了“给我打印一台喷气发动机”的口号并进行了相关的研究工作。GE公司利用LMD技术对相关零件试制进行了技术验证。在复合材料风扇叶片金属加强边试制方面,先利用激光立体成形制备金属加强边毛坯件后再进行机械加工。整个加强边长约101.6mm,壁厚0.8~1.2mm,最终加工变形仅为0.12mm,如图7所示。在发动机支架结构设计试制方面,利用该技术进行了减重设计加工,原零件重约2033g,最后试制的零件重量仅为327g,如图8所示。另外,GE公司还利用增材制造技术实现了Leap-X发动机离心式燃油喷嘴的“打印”,如图9所示,大大节省了零件的生产成本及周期。该项技术被评为全球2013年十大技术突破之一,技术成熟度TRL>8,并且已经通过了FAA适航认证。据预测,截止2020年,GE公司将利用该技术生产超过100000个零部件。PW公司也在增材制造技术方面进行了大量的研究。2013年5月,PW公司的COOPaulAdams表示,“我们(PW公司)已经在用增材制造技术精密的构建最新的齿轮驱动商用发动机的复杂零件”,并投资了超过450万美元用于PW公司增材制造研究中心的技术研发。此外,RR公司也利用该项技术进行了发动机零部件的相关试制,包括机匣零件、蜂窝结构件、异型管等零件的试制并进行了可行性验证。因此,增材制造技术在航空发动机上的应用之前并未被行业知晓,并不代表该项技术不可行,而是在于如“薄纱”的技术工艺信息上的封锁。GE、RR、PW在该项技术上的重视程度和其在研发上的资金投入及其最新产品的应用即是最好的证明。

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