高溫鈦合金材料激光沉積成形應(yīng)用某型號(hào)飛機(jī)
發(fā)布時(shí)間：2020-09-23
以航空航天為代表的高端裝備領(lǐng)域?qū)δ透邷亟饘俨牧现圃旒皯?yīng)用技術(shù)有著巨大的需求，高溫鈦合金以其優(yōu)異的熱強(qiáng)性、高的比強(qiáng)度和良好的耐腐蝕性能，成為航空、航天、艦船等首選的新一代耐高溫高性能結(jié)構(gòu)材料。由于高溫鈦合金工藝性能的特殊性以及相對較高的材料成本，在制造較復(fù)雜形狀和薄壁異型構(gòu)件時(shí)，使用傳統(tǒng)工藝制造存在制造周期長、材料利用率低、制造成本較高等問題，亟待開發(fā)新的成形制造工藝。
為了解決上述問題，更好的滿足航空航天領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芙Y(jié)構(gòu)材料的需求，自2017年起持續(xù)開展了大量技術(shù)研發(fā)工作。采用激光沉積增材技術(shù)進(jìn)行高溫鈦合金材料成形制造，能夠?qū)崿F(xiàn)大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的低成本、快速整體成形，極大的提高材料利用率，同時(shí)節(jié)省模具成本和加工周期，能夠很好的適應(yīng)高端裝備領(lǐng)域?qū)焖夙憫?yīng)、智能制造的要求。
激光沉積增材制造工藝原理
激光沉積增材制造技術(shù)(LMD)是以高功率激光為能量源，采用粉末同步送進(jìn)的方式，將待熔粉末直接送入高能束激光產(chǎn)生的熔池中，由機(jī)床或機(jī)器人引導(dǎo)高能束激光逐層按軌跡行走，層層堆積最終成型出三維立體金屬零部件。激光沉積增材制造可以精確控制能量輸入、光斑直徑(熔道寬度)、成形方式、掃描路徑和層厚，實(shí)現(xiàn)任意復(fù)雜形狀金屬零件的成型制造。該工藝在制造大型復(fù)雜高性能結(jié)構(gòu)時(shí)具有高效率、低成本、高質(zhì)量等優(yōu)勢。因此，研究高溫鈦合金材料的激光熔化沉積制造技術(shù)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
首先從材料與工藝的匹配性入手，研究掌握了系列化耐溫600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積增材工藝適應(yīng)性。同時(shí)開展了Ti60、Ti65、Ti750等高溫鈦合金牌號(hào)及800℃度以上鈦合金基復(fù)合材料的材料開發(fā)、工藝摸索與設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)研究，特別是通過六送粉頭同時(shí)噴射多種不同合金元素及復(fù)合材料的方式，很好解決了傳統(tǒng)冶煉過程偏析和難熔及多梯度溫度冶煉難等問題，解決材料開發(fā)中的工藝性限制問題。
經(jīng)過長期技術(shù)研究，突破了600℃以上高溫鈦合金材料的激光沉積制造技術(shù)，掌握系列化高溫鈦合金材料的增材制造工藝。研發(fā)了高溫鈦合金材料分區(qū)成形策略以及負(fù)搭接長城形掃描策略，結(jié)合搭接率參數(shù)的合理控制，并采用在激光沉積增材制造過程中添加活性金屬粉末等方式，消除了高溫鈦合金激光沉積過程中可能出現(xiàn)的細(xì)微缺陷，實(shí)現(xiàn)了高溫鈦合金的高性能和高可靠性成形制造。LM-S2510激光沉積成形設(shè)備研發(fā)及制造的600℃以上高溫鈦合金產(chǎn)品已經(jīng)在某飛機(jī)型號(hào)領(lǐng)域得到裝機(jī)應(yīng)用。
高溫鈦合金材料激光沉積成形制件外觀（未做表面處理）
高溫鈦合金激光沉積成形組織形貌（左圖:優(yōu)化前 右圖:優(yōu)化后）
采用上述技術(shù)制造的高溫鈦合金構(gòu)件內(nèi)部組織均勻致密、缺陷可控，外觀平整勻稱，制件強(qiáng)度高、耐高溫性好，綜合性能優(yōu)異。以某牌號(hào)高溫鈦合金為例，增材制造零件室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)到1080MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到980MPa，延伸率達(dá)10%以上，沖擊韌性αKU達(dá)到30J/cm2以上;600℃高溫拉伸強(qiáng)度可達(dá)700MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到560MPa，延伸率達(dá)到20%;650℃高溫拉伸強(qiáng)度到達(dá)640MPa，屈服強(qiáng)度達(dá)到500MPa，延伸率接近30%;600℃450MPa應(yīng)力下的高溫持久達(dá)到30h以上;650℃330MPa應(yīng)力下的高溫持久平均達(dá)到15h以上，并具有較高的斷裂韌性值KIC。
激光沉積增材制造的高溫鈦合金材料以其良好的綜合性能，特別是優(yōu)異的600℃以上高溫性能，預(yù)期在航空航天、艦船和化工等各行業(yè)都具有廣泛的應(yīng)用前景。
來源：搜鈦網(wǎng)
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