请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

超级大本营军事论坛

 找回密码
 加入超大军事

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 4818|回复: 23
收起左侧

[生产制造] 航空领域金属增材制造的一点探讨1

[复制链接]
发表于 2019-2-8 14:12 | 显示全部楼层 |阅读模式

更多精彩专业军事内容,期待你的加入!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?加入超大军事

x
本帖最后由 谐奇趣 于 2019-2-13 17:54 编辑

过去一年多,接着2个大项目,再加上半年里生病了两三次,一直没有发新的资料贴,久违了。赶上春节长假和项目间隙,写一点东西,和朋友们交流,顺便给大家拜个晚年。内容请编辑审核,违规请删除。

聚粉层熔凝光影,精工微锻铸天梁
——航空领域金属增材制造的一点探讨1(技术篇)

再过一、两周,2019年2月21日-23日,亚洲3D打印、增材制造TCT展览会将在上海新国际博览中心拉开序幕,参展企业达115家,其中包括了GE的增材制造的子公司GE Additive、GKN公司、欧瑞康、通快、DMG MORI等航空加工制造的知名企业。

为了迎接这一次行业盛会,也为了回顾增材制造(也称3D打印)技术在航空领域的发展,兵器迷整(搬))理(砖)了一些相关资料,和大家聊聊这个话题。同时,也就几个大家经常有争论的技术性问题,提出个人的一些浅见,供大家拍砖。比如:
-金属增材制造实际上是铸造还是锻造?
-金属增材制造与锻造相比有什么优缺点?
-中国在金属增材制造领域处于什么地位?
等等,

由于讨论的风格仍然是以技术路线为主,一如既往,要先介绍一下基础知识,以便后续的观点逐步展开。先啃墙皮,不饿的请飘过。
金属3D打印技术大概有哪几类?
观察网友们关于增材制造的很多争论,其实各自所提出的论据大都是正确的,但有时候这些证据属于不同的技术分支。而这些技术分支之间,往往既有可比性,也有不可比性,因为它们分别适用于不同的工程化应用场景。为了避免关公战秦琼式的无谓争执,也为更好的了解金属增材制造在中国航空应用上的发展,需要先对其技术分类有一些了解。

走起——

3D打印,在专业上叫做增材制造(Additive Manufacturing,缩写AM),后文就用这个术语来讨论。

增材制造的技术种类,如果细分有几十种之多。而且不同时期、不同来源的论文中,分类方法并不不统一,甚至同一个技术的名称叫法也有不同,很让人头大。

增材制造技术大致有几个分类维度:
按照熔融的热源来分,主要有激光束热源,电子束热源,和电弧焊热源等几类。
按照原料形态来分,有粉末和丝材、雾化等几类。
按照原料类型来分,有金属、高分子、光敏聚合物、无机非金属等几类。
按照原料的供给方式,又有同轴送粉/送丝和铺粉、喷射、挤出几类。

由于今天探讨的是航空器关键件的金属增材制造,我们只拣其中几种代表性的熔覆技术简单聊聊。

第一种:激光立体成形技术(Laser Solid Forming,缩写LSF):
即通过喷嘴递送材料粉末或丝材,激光束同步聚焦热能在材料上,将材料熔化。然后凝固-送粉送丝-叠加覆盖,形成三维结构的成形技术。成形环境上,根据金属材料的活性的大小,有时需要用惰性气体吹扫,防止金属熔融过程中的氧化。
1-1.jpg
图1:LSF成形系统示意图

这种金属直接成形方法,优点是得到的零件组织致密,具有明显的快速熔凝特征,力学性能很高。缺点是成形过过程中热应力大,成形件容易开裂,成形件的精度较低。

之所以先聊这种技术,是因为LSF更适合大型金属零部件的增材制造。在军迷中如雷贯耳的的北航王华明院士,他所在的国家工程实验室,就一直致力于重大装备高性能的大型关键构件的增材制造。因此我们看到的中国航空业很多代表性的增材制造明星打印件,比如官泄的那些C919大飞机钛合金整体窗框和大型钛合金翼梁,等等,大都是这种LSF技术的产物。

第二种: 激光选区熔化成形技术 (Selective Laser Melting, 缩写SLM)
这种技术是先将原料的粉末在粉末床上铺一层粉,然后用激光束将热能聚焦在粉末床上的特定部位(熔池),进行选择性熔化并凝固。随着成形台逐次下降高度,上述铺粉-熔化-凝固过程反复迭代,最终形成三维结构。成形环境上,同样有时需要用惰性气体吹扫,特别是活泼的铝。
1-2.jpg

图2:SLM成形系统示意图

有朋友问了,这个LSF和SLM有什么区别呢?

SLM技术制作的零件,大多数是成形尺寸比较小、但比较精细的零件。比如:西工大用SLM技术制作的发动机机匣、发动机风扇叶片包边,等等。最大的成形尺寸也就是400mm×250mm×400 mm。即使是在SLM技术上处于世界领先地位的德国EOS公司,其开发的EOSM400设备,可以SLM成形的最大金属零件尺寸,也不过400mm×400mm×400mm。德国Concept Laser公司的SLM设备成形尺寸能达到630mmx400mmx500mm。这样看来投影面积也不到半个平米。

对比之下,军迷津津乐道的中国商飞工程化应用的增材制造5.02平米的承力件,与SLM无关,那是LSF技术的产物。

形成这种差别的原因,除了SLM是选区熔化之外,还有一个原因在于:LSF技术的原料,大多采用颗粒度稍高的金属粉末。比如,中国航空业用LSF技术增材制造钛合金大部件时,会采用粒度为45-150μm钛合金粉末。而SLM技术的原料,往往采用粒度小于45μm,甚至20μm的超细粉末。

因此,一般的,SLM成形的制件比LSF制件的精度更高,表面质量更优异。很多SLM制件完成后,基本不需要后续表面加工——名副其实的近净成形(net shape)。同时可以想象,其成形效率就会低很多。因此,SLM技术更适合结构复杂、表面精细化的小型零件,所以其最大投影面积比LSF要小很多。

值得注意的是,很多网友在讨论中,将SLM技术(激光选区熔化))与SLS(选择性激光烧结)弄混了。SLS的原料是高熔点金属粉末与低熔点金属或者高分子材料的混合粉末,在加工的过程中低熔点的材料熔化作为黏结剂,与高熔点不熔化金属粉末烧结在一起。而SLM技术不需要黏结剂而是直接熔化金属粉末。我们今天讨论的航空金属增材制造,只涉及SLM而不谈SLS。
第三种:电子束熔丝成形技术(Electron Beam Fabrication,缩写EBF)
电子束熔丝成形技术与以上两种激光增材技术不同,顾名思义,采用电子束而不是激光作为热源,轰击金属表面形成熔池,金属丝材通过送丝装置送入熔池并熔化,同时熔池按照预先规划的路径运动,金属材料逐层凝固堆积,形成致密的冶金结合,直至制造出金属零件或毛坯。

1-3.jpg
图3:EBF成形系统示意图

从原理上看,EBF技术似乎和LSF技术有相似之处。那么既然有激光束成形,为什么还要电子束呢?

激光束和电子束的技术都比较成熟,不过电子束枪的电热转换效率一般达到90%,二激光器一般只有10%左右。而且工业电子枪的功率可达30-60千瓦,甚至150千瓦;而工业激光器的功率大多为10-20千瓦,在增材制造领域甚至更低。比如西工大的SLM成形设备,其工业激光器单光束大多是500瓦的激光器,德国以Concept Laser公司的SLM设备,激光器单光束功率1000瓦。而国外用于EBF的电子束枪,功率可以达到数十千瓦。

由于电子束枪功率大,能量高,因此增材制造的成形速度更快,材料利用率更高,适合大中型金属零件的快速成形制造。

另外,EBF还有两个特点值得注意:

一是EBF用的是丝材而不是粉材。这是因为刚才说了,EBF能量高,打印速度快,因此如果用粉材,送粉速度与打印速度不够匹配,影响打印效率,因此,用丝材替代了LSF工艺中的粉材。

二是电子束加工要在真空甚至高真空环境中进行成形,而不是激光成形的惰性气体吹扫。而真空设备是比较昂贵的。不过,综合来看,电子束笔激光束加工的经济性更好些。而且真空加工污染少,工件的表面不易被氧化,这一点对对于活性金属的增材制造很重要。

EBF的缺点也来自于它的优点——打印速度太快,而且采用的是丝材不是粉材。因此,工件一次成形的制造精度和表面质量,在我们今天介绍的四种技术中是最差的。因此EBF成形件一般都需要后续加工。

第四种:电子束选区熔化成形技术(Electron Beam  Melting,缩写EBM):
EBM技术成形,先在取粉器铺放一层预设厚度的粉沫(通常为30~70微米),电子束按规划的路径扫描并熔化粉末材料。扫描完成后成型台下降,铺粉器重新铺放新一层粉沫。这个逐层铺粉-熔化的过程反复进行直到零件成型完毕。与EBF一样,成形环境为高真空。

1-4.jpg
图4:EBM成形系统示意图

EBM和SLM都是自动铺粉选区熔化成形工艺,但是EBM的热源是电子束。

优点:作为电子束成形工艺,EBM与EBF一样,真空环境成形避免了材料氧化。特别的,由于EBM成形环境温度通常在700℃以上,有效的防止应力累加,降低成形件的残余应力,因此EBM工件一般无需后续热处理工艺——这个可是LSF的命门,咱们后面细聊。EBM工件的表面质量也是比较高的,成形后的加工量也很少。

缺点:EBM成形受到设备的成型腔尺寸限制,能够加工的工件比较小。而且,预置的粉末层会可能在电子束的作用下溃散,形成“吹粉”现象,导致成形件孔隙缺陷,甚至导致成形中断或失败。

综上所述,上述四种技术,LSF和SLM是激光热源,EBF和EBM是电子束热源。LSF和EBF成形技术,分别使用送粉/送丝方式,成形件的表面相对粗糙,更适合大中型构件的增材制造;而SLM和EBM技术,使用自动铺粉工艺,成型件的表面相对更精细,更适合尺寸较小的构件制造。

这一篇属于基础技术,建议大家参考恒辉3D打印的专业博客,了解更多的内容。

有了上述介绍作为基础,现在来一对一的谈谈中国这几类技术的发展。

预知后事如何,且听下回分解。


注:本文采用的资料全部来源与互联网公开报道或公开发行的印刷资料,如:
《一种300M超高强度钢飞机起落架的制造方法》
《A100钢激光成形零件在飞机起落架制造领域的工艺研究》
《2017中国增材制造产业发展报告》
《金属增材制造技术在航空发动机领域的应用》
《钛合金增材制造技术研究现状及展望》
《大型钛合金结构激光快速成形技术研究进展》
《激光立体成形高性能金属零件研究进展》
《增材制造技术之电子束选区熔化》等数十篇论文以及,
兵器知识
兵工科技
中国航空报社
西安铂力特官网
恒辉3D打印博客
激光网
超大网友laser11的文章
讲武堂公众号
两机动力控制公众号
2013年北京科博会和2015年国防科技工业军民融合发展成果展相关报道
本文引用的所有图片权利归原作者所有
==================================================

本坛更多相关文章

航空领域金属增材制造的一点探讨2
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528087&extra=page%3D1

航空领域金属增材制造的一点探讨3
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528192&extra=page%3D1

航空领域金属增材制造的一点探讨4
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528338&extra=page%3D2

航空领域金属增材制造的一点探讨5
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528434&extra=page%3D1

航空领域金属增材制造的一点探讨6
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528581&extra=page%3D1

航空领域金属增材制造的一点探讨7
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528922&extra=page%3D1


==================================================
更多文章,请访问个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_3.html

评分

参与人数 1经验 +32 金钱 +8 魅力 +32 收起 理由
谐奇趣 + 32 + 8 + 32 优秀文章

查看全部评分

最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-8 17:42 超大游击队员 | 显示全部楼层
多谢LZ科普!
LZ新年快乐~
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-8 18:12 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

注意身体,好好调养。自身工作优先。
猪年身体健康、事业蒸蒸日上、闲暇之余,多在超大科普。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-8 18:40 超大游击队员 | 显示全部楼层
编辑表示也看不懂,哈哈
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-8 19:56 超大游击队员 | 显示全部楼层
拜读了,祝楼主新年快乐!
   现在一直没搞明白,不论是激光还是电子束,不论是丝材还是粉末,成型后的材料的组织到底是怎样的?是类似粉末冶金还是铸造
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-8 20:05 超大游击队员 | 显示全部楼层
  楼主科普的很好,学习了。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-8 20:47 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

作者有心了,整理了这么多公开资料,集合成一片干货满满的文章。

另,帮lz补充一些内容。
1、王老师团队从开始到现在,基本上用的是LENS/激光近净成形的缩写,LSF在几个主力工业团队中并不多见。
2、航天航空兵器口,SLS工艺装备保有量也不小,主要用于特种失腊铸造的模范打印,效率极高效果很好,选取烧结工艺参数设定的好,对铸造蜡成形很有利。
3、某些团队尝试进行等离子束为能量源的成形实验,目前成功的几个项目主要应用于再制造领域,特别是特种件微小缺口、崩裂、腐蚀点的快速修复,已经从应急修理提升为完全超越原始性能的正规修理工艺。

评分

参与人数 1经验 +30 收起 理由
365赌王 + 30 鼓励支持

查看全部评分

最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-8 23:01 | 显示全部楼层
长见识了。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
 楼主| 发表于 2019-2-9 08:48 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

愚哉子安 发表于 2019-2-8 17:42
多谢LZ科普!
LZ新年快乐~

多谢!希望能多交流
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
 楼主| 发表于 2019-2-9 08:49 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

365赌王 发表于 2019-2-8 18:12
注意身体,好好调养。自身工作优先。
猪年身体健康、事业蒸蒸日上、闲暇之余,多在超大科普 ...

感谢!希望大家诸事顺利,希望超大红红火火!
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
 楼主| 发表于 2019-2-9 08:49 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

zmic797 发表于 2019-2-8 19:56
拜读了,祝楼主新年快乐!
   现在一直没搞明白,不论是激光还是电子束,不论是丝材还是粉末,成型后的材 ...

在第三篇和第四篇中,有涉及这个方面的讨论,希望多交流
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
 楼主| 发表于 2019-2-9 08:52 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

艾疯X 发表于 2019-2-8 20:47
作者有心了,整理了这么多公开资料,集合成一片干货满满的文章。

另,帮lz补充一些内容。

严重感谢!

基础材料科学非常枯燥,这样的帖子观者寥寥,论者甚微。能够给出这么专业的意见,真是难得。

文中已经交代,不同时期的论文,分类方法和名称不统一,是个头痛的问题。不去管它了。从第二篇开始,将涉及网友大量争论的一些问题,非常希望看到您的专业意见!
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-9 12:53 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

兵器迷的天空 发表于 2019-2-9 08:52
严重感谢!

基础材料科学非常枯燥,这样的帖子观者寥寥,论者甚微。能够给出这么专业的意见,真是难得 ...

多谢分享:D
增材制造这个领域,需要多多交流呀
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
头像被屏蔽
发表于 2019-2-9 12:57 超大游击队员 | 显示全部楼层
这贴是不是太干了,大家撕不起来。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
头像被屏蔽
发表于 2019-2-9 14:03 | 显示全部楼层
国内电子枪确实落后啊,乌克兰当年的技术为什么不引进进来?美国、德国和日本都引进了乌克兰的电子枪技术,然后持续改进发展,国内干嘛去了?一句市场小,没有应用场景就pass了。现在电子束3D打印的电子枪又让美国禁运了。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-9 18:39 超大游击队员 | 显示全部楼层
楼主好资料,学习中。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 14:50 | 显示全部楼层
楼主好资料,就是太这货干了
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 15:24 | 显示全部楼层
这太专业了,这里萌新比较多,还是不适合发这里。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
 楼主| 发表于 2019-2-11 15:51 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

seaer06 发表于 2019-2-11 15:24
这太专业了,这里萌新比较多,还是不适合发这里。

超大已经是国内很专业的坛子了,这里还萌新,哪里还能发啊。

不过也是,加精推荐也就千把人读。看来以后发不成了。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 16:05 超大游击队员 | 显示全部楼层
猪年好文,收藏了细读。LZ新年快乐!
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 16:13 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

兵器迷的天空 发表于 2019-2-11 15:51
超大已经是国内很专业的坛子了,这里还萌新,哪里还能发啊。

不过也是,加精推荐也就千把人读。看来以 ...

这得发到专业杂志上去吧。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 20:28 | 显示全部楼层
拜读
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-12 08:32 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

本帖最后由 谐奇趣 于 2019-2-12 08:33 编辑
兵器迷的天空 发表于 2019-2-11 15:51
超大已经是国内很专业的坛子了,这里还萌新,哪里还能发啊。

不过也是,加精推荐也就千把人读。看来以 ...



  这种文章,无论从内容,还是专业程度(阅读理解难度)看,超大正合适发。敬请继续!

最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-20 11:32 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨1

zzaa119 发表于 2019-2-9 14:03
国内电子枪确实落后啊,乌克兰当年的技术为什么不引进进来?美国、德国和日本都引进了乌克兰的电子枪技术, ...

兄弟有空时,不妨展开来谈一谈,让大家在这方面有所了解与认识。。。
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 加入超大军事

本版积分规则

监狱|手机|联系|超级大本营军事论坛 ( 京ICP备13042948号 | 京公网安备11010602010161 )

声明:论坛言论仅代表网友个人观点,不代表超级大本营军事网站立场

Powered by Discuz © 2002-2019 超级大本营军事网站 CJDBY.net (违法及不良信息举报电话:13410849082)

最具影响力中文军事论坛 - Most Influential Chinese Military Forum

GMT+8, 2019-4-19 18:46 , Processed in 0.059629 second(s), 24 queries , Gzip On.

快速回复 返回顶部 返回列表