激光增材制造技術(shù)在輕合金復(fù)雜構(gòu)件成形加工中的應(yīng)用驗(yàn)證

竇鑫紅，安君偉，許雅勿

(西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安 710043)

激光增材制造技術(shù)在輕合金復(fù)雜構(gòu)件成形加工中的應(yīng)用驗(yàn)證

竇鑫紅，安君偉，許雅勿

(西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安 710043)

摘要：作為制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的新寵，近年來激光增材制造技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。隨著一些關(guān)鍵性問題的解決，該項(xiàng)技術(shù)也日趨成熟。金屬激光增材制造技術(shù)在近兩年發(fā)展較快，同時(shí)在制造業(yè)領(lǐng)域也有所應(yīng)用，尤其在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用頗多；但目前國內(nèi)對于金屬激光增材制造技術(shù)的應(yīng)用情況仍缺乏相關(guān)驗(yàn)證。經(jīng)激光增材制造技術(shù)在輕合金復(fù)雜構(gòu)件成形加工中的具體應(yīng)用實(shí)例和技術(shù)驗(yàn)證表明，采用該項(xiàng)技術(shù)成形的鈦合金材料零件具有與棒材加工零件相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和加工性能，且其在復(fù)雜異型零件成形加工方面有突出優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：輕量化；整體化；金屬3D打?。惶状?；成形加工驗(yàn)證

隨著武器裝備向輕量化、高機(jī)動和高生存力方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)件呈現(xiàn)出整體化、薄壁化和形狀復(fù)雜化等特點(diǎn)。對于一些極端復(fù)雜的精密構(gòu)件，采用傳統(tǒng)的加工方法已經(jīng)無法滿足使用要求，嚴(yán)重滯緩了產(chǎn)品研制生產(chǎn)的腳步。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)，使得復(fù)雜精密構(gòu)件的高精度、高效率、高性能、短周期和整體化制造成為可能。

如今，增材制造技術(shù)基本發(fā)展成熟，且在工業(yè)造型、醫(yī)學(xué)、航空航天和藝術(shù)等領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用[1]；但作為一項(xiàng)新興技術(shù)，尤其是金屬增材制造技術(shù)，目前還缺乏相關(guān)的技術(shù)驗(yàn)證。為此，西安北方光電科技防務(wù)有限公司從現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件中選擇了幾種樣件，采用激光增材制造技術(shù)結(jié)合機(jī)械加工的方式，對金屬增材制造技術(shù)進(jìn)行了成形過程、加工性能和力學(xué)性能等方面的驗(yàn)證，以期對該技術(shù)有更加深入的了解。

1技術(shù)簡介

金屬激光增材制造技術(shù)(下述統(tǒng)稱金屬3D打印技術(shù))是一種通過掃描，選擇性的熔化燒結(jié)一層層金屬粉末材料，從而逐點(diǎn)、逐層堆積出工件的制造方法[2]。

基于送粉方式不同，金屬3D打印技術(shù)主要分為兩大類：同步送粉激光熔覆技術(shù)(LSF、LOM)和選擇性激光燒結(jié)技術(shù)(SLM、SLA)。前者主要用于制造構(gòu)件毛坯，以及對存在缺陷或損傷的零件進(jìn)行局部修復(fù)，適用于尺寸較大的整體結(jié)構(gòu)件的成形加工；后者成形精度高，可直接制造外廓尺寸較小的復(fù)雜構(gòu)件，無需進(jìn)行機(jī)械加工。

2金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用實(shí)例及驗(yàn)證

2.1樣件

針對金屬3D打印技術(shù)在公司進(jìn)行的前期嘗試性應(yīng)用工作，筆者選擇了2種鈦合金材料陀螺構(gòu)件外環(huán)和內(nèi)環(huán)作為樣件(見圖1)進(jìn)行成形加工驗(yàn)證。該2種樣件精度要求較高，且結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較弱，加工中易產(chǎn)生變形。其重點(diǎn)部位尺寸精度為IT7級，軸承配合部位尺寸精度達(dá)IT4級；重點(diǎn)部位幾何精度要求為0.005～0.015 mm；其余部位精度要求為IT10～I(xiàn)T12級，未注部位表面粗糙度為Ra6.3 μm。

a)外環(huán)　　　　　　　b)內(nèi)環(huán)圖1　外環(huán)、內(nèi)環(huán)三維示意圖

針對樣件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)要求，采用3D打印與機(jī)械加工相結(jié)合的方式來完成樣件的成形加工。

2.2驗(yàn)證

2.2.1成形過程驗(yàn)證

針對所選樣件的結(jié)構(gòu)和精度要求確定采用激光選區(qū)熔化(SLM)成形方法進(jìn)行毛坯成形制作。根據(jù)樣件結(jié)構(gòu)分析認(rèn)為，在打印過程中可以采用套打的方式來達(dá)到節(jié)約制作成本的目的，即將尺寸較大的外環(huán)零件(最小內(nèi)徑為φ164 mm)套在尺寸較小的內(nèi)環(huán)零件(最大外徑為φ149 mm)之外，一次完成2種零件毛坯的成形制作。通過這種方式，不僅可省去一種零件的打印基板，還可省去大部分支承，縮短打印時(shí)間，大大降低打印成本，提高制作效率。采用SLM技術(shù)打印的樣件毛坯成形效果(機(jī)械加工前)如圖2所示。

a)內(nèi)環(huán)　　　　　　　　　b)外環(huán)圖2　采用SLM技術(shù)打印成形的內(nèi)、外環(huán)毛坯

根據(jù)對2種樣件成形毛坯的實(shí)測結(jié)果可知，采用SLM技術(shù)制作成形的內(nèi)、外環(huán)2種樣件實(shí)際毛坯精度為：尺寸精度達(dá)到±0.1 mm，幾何精度達(dá)到±0.1 mm/100 mm和±0.2 mm/200 mm以內(nèi)，表面粗糙度完全達(dá)到零件不加工面的技術(shù)要求，即為Ra6.3 μm，優(yōu)于精密鑄造。

2.2.2加工過程驗(yàn)證

1)熱處理性能。內(nèi)、外環(huán)2種樣件3D打印成形后進(jìn)行了后處理(再結(jié)晶退火處理，均化應(yīng)力)的毛坯可直接進(jìn)行加工，且加工性能良好。為了確保更好的加工質(zhì)量和零件性能，首先進(jìn)行去應(yīng)力退火，然后進(jìn)行機(jī)械精加工，最后再做3個(gè)冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理，穩(wěn)定零件加工尺寸。經(jīng)驗(yàn)證，成形毛坯熱處理加工性能良好，各項(xiàng)熱處理參數(shù)的給定等同于采用TC4鈦合金棒材加工的各階段熱處理參數(shù)，且熱處理后的加工性能良好。

2)機(jī)械加工性能。2種樣件毛坯制作完成后，實(shí)施了機(jī)械加工驗(yàn)證。在加工過程中選用了涂層硬質(zhì)合金刀具、硬質(zhì)合金鉆頭和涂層合金跳牙絲錐等加工鈦合金材料零件常用的刀具。切削參數(shù)與常規(guī)機(jī)械加工鈦合金棒材選用的數(shù)值基本一致。加工完畢后，對樣件加工尺寸進(jìn)行了測量，均能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，零件加工部位的表面質(zhì)量等同于棒材加工的零件。從加工流程設(shè)置上看，采用金屬3D打印技術(shù)成形加工比采用棒材常規(guī)機(jī)械加工省去了大量繁瑣的粗加工工序，加工周期至少縮短了一半，材料利用率至少提高3倍。加工過程中的變形有所減小，且易于控制。

2.2.3綜合性能驗(yàn)證

1)材料成分。根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了3D打印試件的材料成分，并與常規(guī)TC4鈦合金棒材材料成分進(jìn)行對比，具體見表1和表2。

表1　常規(guī)TC4鈦合金棒材材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))[3]　(%)

注：TC4鈦合金中其他雜質(zhì)單一≤0.10 wt%；總量≤0.40wt%。

表2　3D打印試件材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))　　(%)

從表1和表2可以看出，3D打印試件材料的化學(xué)成分完全符合常規(guī)TC4合金棒材化學(xué)成分的國標(biāo)要求。

2)力學(xué)性能及金相組織。隨樣件同時(shí)進(jìn)行打印的還有抗拉強(qiáng)度試棒和金相試塊(均分為橫、縱2種試樣)。試棒分成3組分別進(jìn)行再結(jié)晶退火、去應(yīng)力退火和冷熱循環(huán)穩(wěn)定處理共3個(gè)階段試驗(yàn)驗(yàn)證。對于金相試塊的試驗(yàn)驗(yàn)證，由于冷熱穩(wěn)定處理溫度低，不會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，所以只進(jìn)行再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火等2組金相試驗(yàn)。

為對比分析，取常規(guī)TC4鈦合金棒材R態(tài)抗拉強(qiáng)度試棒3件，按照上述3個(gè)階段進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，取金相試塊1件進(jìn)行金相分析試驗(yàn)。

對橫、縱2種狀態(tài)下的試件，進(jìn)行不同熱處理加工后的力學(xué)性能和金相組織對比分析如下。

a.力學(xué)性能對比分析。TC4鈦合金棒材R態(tài)與3D打印不同階段試棒力學(xué)性能見表3，可以看出采用3D打印試棒在不同階段熱處理后抗拉強(qiáng)度與常規(guī)TC4鈦合金棒材R態(tài)相比毫不遜色，伸長率也均達(dá)到了理想值。3D打印試棒力學(xué)性能達(dá)到或超過了常規(guī)熱軋棒料。

表3　棒材TC4材料R態(tài)與3D打印不同階段強(qiáng)度對比

b.金相組織對比分析。3D打印合金試塊金相組織如圖3所示，TC4鈦合金棒材R態(tài)金相組織如圖4所示，可以看出3D打印合金試塊經(jīng)再結(jié)晶退火和去應(yīng)力退火等工序后，與常規(guī)TC4鈦合金棒材的R態(tài)金相組織均為а+β網(wǎng)籃組織，組織形態(tài)差別不大，均未出現(xiàn)魏氏體組織、а偏析及β斑等缺陷，晶粒尺寸在一個(gè)數(shù)量級上。

圖3　3D打印合金試塊金相組織圖(500×)

圖4　常規(guī)TC4鈦合金棒材R態(tài)金相組織圖(500×)

3)驗(yàn)證結(jié)論。從金相圖上看，常規(guī)TC4鈦合金棒材的組織與3D打印合金試塊再結(jié)晶退火后的組織區(qū)別不大，說明金屬3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)合金組織從冶金態(tài)到退火平衡組織的回歸，實(shí)現(xiàn)組織均勻性。從物理、化學(xué)性能及金相組織等方面的研究分析可以得出，3D打印TC4鈦合金代替TC4鈦合金棒材來進(jìn)行零部件的成形加工，在滿足設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)上是可行的。

2.3其他應(yīng)用

金屬3D打印技術(shù)已初步在公司科研新品試制加工中進(jìn)行了嘗試性的應(yīng)用，其中包括幾種航空產(chǎn)品鋁材異形零件(見圖5)。由于產(chǎn)品的高性能、短周期以及對市場的快速響應(yīng)等要求，筆者選用了金屬3D打印成形的方法完成了這幾種零件的制造。應(yīng)用金屬3D打印技術(shù)成形的實(shí)體零件已凈近成形，在打印制作完畢后，僅需進(jìn)行幾個(gè)面上螺紋孔的攻螺紋加工即可，加工后完全滿足設(shè)計(jì)要求。這樣不僅避免了復(fù)合角度平面復(fù)雜的坐標(biāo)換算，簡化了工藝設(shè)計(jì)工作，還有效地提高了生產(chǎn)效率，保證了零件的交付周期[4]。

圖5　某航空產(chǎn)品鋁材框架和支架零件

3結(jié)語

作為當(dāng)前制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的新寵，金屬3D打印技術(shù)還有相當(dāng)大的發(fā)展空間，尤其在高性能異常復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形加工方面，相比其他成形加工方法有著無可比擬的優(yōu)勢。而且對于研制階段的產(chǎn)品來說，金屬3D打印技術(shù)還能極大地縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，減小研發(fā)過程中反復(fù)修改制造造成的經(jīng)濟(jì)損失。

金屬3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)制造技術(shù)都有各自的優(yōu)勢，兩者不可互相取代。因打印材料和成本問題的限制，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)方式仍會占據(jù)主流。預(yù)計(jì)在今后的3～5 a，隨著金屬3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，打印成本降低將成為必然趨勢，該技術(shù)會得到更加廣泛的應(yīng)用和普及。

參考文獻(xiàn)

[1] 王忠宏,李揚(yáng)帆,張曼茵.中國3D打印產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及發(fā)展思路[J].經(jīng)濟(jì)縱橫,2013(1):90-93.

[2] 李曙光, 胡迪·利普森,梅爾芭·庫曼.3D打印,造物新紀(jì)元[J].中國青年,2013(13):64-65.

[3] 全國有色金屬標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.GB/T 2965—2007鈦及鈦合金棒材[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[4] 王穎.自頂向下設(shè)計(jì)及快速成形技術(shù)應(yīng)用[J].新技術(shù)新工藝，2014(8)：38-42.

責(zé)任編輯彭光宇

Application and Verification of 3D Printing Technology in Forming and Manufacturing of

Complex Components of Light Alloy

DOU Xinhong, AN Junwei, XU Yawu

( Xi’an North Photoelectric Technology Defense Co., Ltd., Xi’an 710043,China)

Abstract：As a new favorite area of the manufacturing technology, 3D printing technology has gained extensive attentian in recent years. With solving some key problems of 3D printing, the technology is getting mature. Metal 3D printing technology has been developed rapidly in recent two years. At the same time, the technology has been applied in the field of manufacturing, especially in aerospace and aviation. However, the application of Metal 3D printing technology still lacks related verification at present in the domestic. This paper expounds some application examples and technical verification of 3D printing in forming and manufacturing of complex components of light alloy. After verification, the mechanical and machining property of the titanium alloy parts formed by this technology is almost of the property of the parts machined with titanium alloy rods. And this technology has outstanding advantage in the area of forming of complex shaped parts.

Key words:lightweight，integration，metal 3D printing，set together print，verification of forming and manufacturing

收稿日期：2014-12-28

作者簡介：竇鑫紅(1975-)，女，工程師，主要從事機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場工藝技術(shù)等方面的研究。

中圖分類號：T 19

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B