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沈阳航空航天大学在激光增材制作方面开展状况

2017-03-04 09:16
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航空、航天、电力、石化、船只等现代工业高端配备正向大型化、高参数、极点恶劣条件下高牢靠、长寿命执役的方向快速开展,致使其钛合金、高温合金等要害金属构件尺度越来越大、结构日益杂乱、功能要求日益前进,对制作技能及配备的要求越来越高、应战日益严峻。选用铸锭冶金+塑性成形等传统制作技能出产大型、全体、高功能金属构件,不只需求万吨级以上的重型铸造配备及大型铸造模具,技能难度大,并且资料切削量大、资料利用率低、周期长、本钱高。作为增材制作技能一种典型工艺,激光堆积制作技能是增材制作技能的一种,以合金粉末为质料,以粉末同步送进为特征,经过激光熔化/快速凝结逐层堆积制作,由零件CAD模型一步完满意细密、高功能金属结构件的“近净成形制作”。因其共同技能优势,被誉为是一种“革新性”“控形/控性”一体化制作技能,在航空、航天等严峻配备制作中具有宽广开展远景。该技能资料利用率高,可完成力学功能与锻件适当的杂乱高功能构件制作,且其同步资料送进特征,还可完成梯度结构制作,可用于损害构件的高功能修正。

现在增材制作在向大尺度构件制作方向开展,如飞机上的大尺度钛合金框梁结构件,跟着科技的前进,构件尺度会越来越大,大型增材制作配备需求大型机床,带来巨大制作危险;超长间隔的粉末运送稳定性难以确保,此外经过单纯前进成形舱尺度来满意构件的尺度标准是不经济也是不现实的。增材制作进程中,不只要考虑制件的应力和变形防备问题,还要统筹其成形精度和功率,而增材制作在修正航空发动机机匣等大型薄壁(修正部位最薄处约2mm)零件时,不只要考虑应力会集、零件变形,还要考虑其结合部位功能弱化问题。此外,当时钛合金、高温合金激光增材制作根本都是在刚性惰性气体维护仓中进行,此法不能适应修正零件尺度改变规模大的特色,不利于零件的现场修正,下降了设备的利用率,增加了出产本钱,因而对现有配备也提出了新要求。

针对上述需求,沈阳航空航天大学与中航工业沈阳所、沈飞公司及我国航发拂晓、东安公司深入开展协作,长时刻致力于激光堆积制作技能研讨工作,“十二五”期间得到国家重点研制方案(973)、国家自然科学基金、国家严峻科技专项等课题支撑,打破钛合金、高温合金、铝合金等大型制件高效高精度制作、减小应力和变形、完成柔性气氛防护、确保增材安排一致性和制作结合区质量等一系统严峻难题,已授权激光堆积制作相关发明专利9项,获国防科技前进奖二等奖2项。

研制系列化激光堆积制作成套配备:沈航全面打破了激光堆积制作工程化配备的规划、制作及系统集成等技能。提出特种能量场交融激光堆积制作技能,将超声场、电磁场与高能激光有机耦合,前进增材制作功率的一起,减小制作进程剩余应力和冶金缺点,前进制件精度、调操控安排提高力学功能。针对大型全体结高质高效制作需求,立异性的提出动态惰性气体维护办法,打破设备束缚,可成形超大尺度构件、进行外场制作。

开发低应力小变形激光增材制作工艺:激光堆积进程中剧烈的、循环加热/冷却条件下,在零件内发生散布及演化极端杂乱的应力,导致零件严峻翘曲变形乃至开裂,是限制增材制作的首要技能瓶颈。沈航提出特种能量场交融增材制作技能及根据红外分区的激光堆积制作动态扫描工艺办法,经过实时反应堆积层面温度散布,运动规划激光扫描轨道,显着减小堆积进程温度梯度,下降热应力、束缚应力和晶格贮存能,有效地操控堆积进程零件的变形和开裂,提高工艺稳定性,拓展工艺窗口。由沈航研制的激光堆积制作成套配备已成功运用于科研出产。

提出了在位部分热处理的激光增材制作/修正制件的应力消减和安排调整新办法,研制了根据感应加热器、红外热像仪及专用夹具的部分热处理系统,完成了大型制件在位部分热处理;显着下降了剩余应力、减小工件变形,确保尺度精度、形状精度和方位精度;一起优化了安排,前进了力学功能。

树立全套技能标准和标准:树立增材制作新技能在航空配备运用的全流程功能查核和质量保证技能系统。完成了对增材制作零件试片级根本力学功能查核、模仿件的中试查核及全尺度零件的归纳功能查核,功能方针悉数到达或超越铸造钛合金。树立从试片级实验到全尺度件归纳功能查核、从工艺到装机的全套技能标准和标准,为全职业运用打下技能根底。

研讨成果已在承力结构件制作、运维方面成功运用,保证了批产和科研发展,取得了显着的经济和社会效益。激光增材制作法制备的零件与选用传统“铸造+机加”办法比较,结构减重达25%以上,应力水平下降35%;出产周期缩短50%,资料利用率到达70%,出产本钱下降30%。梁构件修正区的强度方针与基体适当;外表及外形尺度契合规划要求、内部质量合格;与传统氩弧焊修正办法比较,工件变形量减小70%;修正时刻缩短90%;剩余应力下降50%以上;同更换新件比较,激光堆积修正损害结构件的出产周期缩短90%;修正本钱费用均匀仅为出产新件费用的20%。

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