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【金属3D打印 技巧】深度解析激光增材再制作技巧及利用
2019-02-16 悉恩悉机床网


  一、引言

  激光增材制作技巧,又称为激光3D打印技巧,是在打算机援助下,把三维实体模型切片处理为二维层片,二维层片再离散为一维线条,采用激光熔覆技巧进行逐点堆积,最终实现三维实体零件成形的激光制作技巧。同传统制作技巧相比,该技巧具有柔性化、易于实现智能化、生产周期短、能生产出很高力学性能的零件等特点,该技巧已经在航空、国防、交通、能源、冶金、矿采等领域得到了广泛的利用,并展现出诱人远景。

  激光增材再制作是以激光熔覆技巧为基础,对服役失效零件及误加工零件进行几何形状及力学性能恢复的技巧举动。现代工业及国防的许多重大设备生产工艺复杂、工序长、成本高,这些设备在服役的过程中,一些要害零部件往往会由于磨损、堕落、疲劳、事故等原因而失效,从而影响设备正常运行利用,如能对这些高附加值零件进行修复再制作,则可以保证设备正常运转、节俭成本,创造极大的经济效益。一些零件的加工程序复杂、难度高,容易涌现误损伤,许多时候,误加工的零件只能做报废处理,这将造成极大的糟蹋和丧失,对这些误加工的零件进行增材制作修复,可以大大进步零件合格率,缩短生产周期,进步经济效益,挽回丧失。激光增材再制作是一种先进的再制作修复手段,该技巧热源能量集中,可在对基体性能影响较小的情况下,实现零件的几何形状及力学性能的高质量恢复,采用该技巧对服役失效及误加工零部件进行再制作修复,具有很好的现实意义。目前激光增材再制作技巧已经在航空发动机、燃气轮机、钢铁冶金、部队伴随保障等领域得到了广泛的利用。

  激光增材再制作技巧原理与激光3D打印技巧相近,但又有其自身的特点。范例的激光增材再制作流程如下:拆解—清洗—分类—检测—判别—再制作修复—(热处理)—后加工—检验。对于拆解清洗后的待再制作件,需要先进行无损检测及寿命评估,然后对于能再制作零件进行再制作修复,接着再进行后热处理及后加工,最后对再制作零件的质量进行检测评价,判定再制作产品是否合格,其中最核心的阶段是修复阶段。同激光3D打印技巧相比,激光增材再制作技巧还需要关注再制作过程对基体的热损伤、再制作材料同基体的界面、再制作材料同基体的物性匹配等问题,问题更为复杂。对于激光3D打印技巧,全部零件都是通过逐点扫描堆积成形的,因此,其制作周期相对较长、成本较高,与此相对,激光增材再制作以失效或者误加工零件为基体,需要恢复的尺寸往往很有限,其制作周期短、成本低,因此,其经济效益和社会效益更加明显。

  二、激光增材再制作技巧利用现状

  激光增材再制作技巧是设备高性能修复先进技巧,已经在不同工业领域高端设备高附加值零件维修中获得了重要利用。英国Rolls-Royce公司把激光熔覆技巧用于RB211型燃气轮机叶片的修复;美国Optpmec Design公司采用激光熔覆成形技巧对T700飞机发动机零件的磨损进行修复;美国Huffman公司也采用激光熔覆成形技巧对镍基高温合金及钛合金航空叶片进行了修复;美军已成功研制的“移动零件医院”(简称为MPH系统)利用激光熔覆技巧进行金属零件的快速制作和再制作,该系统已经列装美国海军和陆军,并在阿富汗战场施展了重要作用。目前激,光熔覆技巧已在世界各重要工业国家获得了大批的研究和利用。

  在我国,激光增材再制作技巧也在近十几年取得很大进展,其工程化利用领域也逐步扩大,在航空工业和兵器设备维修领域施展了重要作用。某工厂采用激光增材再制作技巧,对航空发动机叶片及飞机其它承力件进行修复再制作。中科院主动化所将增材再制作技巧用于航空发动机涡轮导向器及船舶叶片的修复。设备再制作技巧国防科技重点实验室是国内再制作领域唯一的国家级重点实验室,在激光增材再制作方面,承担完成了设备预先研究项目、国家自然科学基金项目、国家973项目和企业合作项目等一系列国家、部队和企业科研任务,在激光增材再制作的材料、工艺、性能表征等方面做了深入研究和摸索,解决了重载车辆发动机凸轮轴、铸铁缸盖、渗碳齿轮以及高速列车车轴、大型压缩机叶轮和多种轴类件等范例设备零件再制作技巧难题,创造了明显经济效益和社会效益。

  激光增材再制作技巧已经成为高端设备服务领域的重要技巧手段。国内已经有激光增材再制作企业近300家,其中沈阳大陆激光技巧有限公司是国内最早基于激光熔覆技巧开展激光增材再制作服务的高科技公司,已把激光增材再制作技巧利用于多个工业领域,成功解决了航空设备、冶金设备、石化设备、能源电力设备和矿采设备等重要零部件的应急抢修和再制作难题,创造了重大的经济效益和社会效益。

  目前,浙江工业大学、西北工业大学、华中科技大学、天津工业大学、装甲兵工程学院、广州中科院先进技巧研究所、南京先进技巧研究院、沈阳大陆激光技巧有限公司、辽宁思达思克实业有限公司等科研院所和企业对激光增材再制作技巧工艺、设备和材料及利用进行了深入研究和实践,已经形成了高校、科研院所和工厂企业三方竞争而又协作发展的格式,构成了我国激光增材再制作技巧研究和利用的主力军。

  三、激光增材再制作要害问题

  尽管激光增材再制作已经获得了广泛利用,但仍然有一系列的要害问题需要进一步研究解决。

  1.残余应力是激光增材再制作面临最为棘手的问题之一。再制作零件增材部分通过激光熔覆技巧逐点扫描堆积成形,这一非线性强耦合过程中,材料的温度、物性不均匀性极强,不可避免的伴随应力、应变的演变,导致再制作零件涌现裂纹、变形,而且高的残余应力状态也将影响零件的静力学、耐蚀、疲劳等性能,最终影响再制作零件的服役性能及安全。

  同激光3D打印技巧相比,激光增材再制作残余应力问题更为突出。对于激光3D打印,可以通过合理的堆积策略,调剂熔覆过程温度场的均匀性,调剂材料实际拘束度,避免拉应力过大积累;激光增材制作过程基体形状尺寸往往是固定的,其拘束度一般较大,容易造成高程度残余拉应力的积累。另外,激光增材再制作过程中,基体材料同再制作材料往往是异种材料,其屈服强度、热膨胀系数等影响残余应力演变的要害参数通常相差较大,容易造成高程度残余拉应力程度积累,且进步应力散布的不均匀性。北航王华明教授把残余应力问题称为激光增材制作的“第一大瓶颈难题”,对于激光增材制作,这个问题的严重性有过之而无不及,需要做进一步的工作。

  2.热影响区性能劣化是激光增材再制作的另一个重要问题。众所周知,热影响区通常是焊接接头比较软弱的部分,激光增材再制作过程虽然热源能量密度集中,热影响区域较小,但其热影响区材料性能演变仍然是一个需要重点关注的问题。激光增材再制作热循环引起材料微观组织变更,最终影响材料的性能,热过程可能影响晶粒的尺寸及均匀性,影响析出相的种类、散布及尺寸,材料的固溶度、元素晶界偏析程度等,最终影响热影响区的硬度、强度、塑性、耐蚀性等性能。从基体到界面,范例的热影响区可以粗略分为不完整再结晶区、再结晶区、过热区等。不完整再结晶区晶粒度均匀性较差,性能均匀性也较差;再结晶区组织通常较细;过热区有许多异常长大的晶粒,其晶粒度及性能均匀性也较差。激光增材再制作常见的基体材料有镍基、钴基、钛基、铁基、铝基等,并且其热处理状态多样,有铸态、锻造、时效、轧制、渗碳渗氮等,因此,激光增材制作热影响区性能的劣化方法及劣化程度有较大的差别,需要根据具体材料,进行有针对性的摸索研究,通常情况下,焊接过程热影响区的研究成果具有必定的参考价值,但需要注意激光增材再制作热循环跟一般焊接过程热循环的差别,激光增材再制作过程中,热影响区温度梯度更大、温度变更也更加激烈,热循环的次数可能会更多。

  3.基体同再制作材料的界面匹配性问题也是激光增材再制作的一个重要问题。和激光3D打印不同,激光增材再制作材料与基体材料化学成分及热处理状态往往不同,其组织特点、物理化学性能必定存在必定的差别,这些差别将影响界面的联合质量,导致毛病涌现。界面的问题重要有以下几类:一种是界面脆性相,基体材料同熔覆材料混杂,有可能生成一些脆性相。如,灰铸铁件激光增材再制作的时候,由于石墨中碳的释放,在极高的冷却速率下,极易在界面处涌现淬硬组织“白口”,脆性相的生成往往导致再制作过程涌现裂纹,严重劣化界面性能。另一种界面问题是界面缝隙及裂纹,基体材料同熔覆材料如果相容性差,则界面湿润性能差,很容易在界面涌现缝隙气孔等毛病,影响界面联合强度。界面物性匹配度也是界面的重要问题,激光增材再制作过程中,界面两侧材料需要经历复杂的温度及应力应变循环,这种物性的差别容易导致界面应力异常,甚至涌现裂纹,在后续服役过程中,零件常常需要遭遇温度载荷及力载荷,此时,热膨胀系数、屈服强度、硬度、密度等差别将严重影响界面性能,甚至涌现剥落等现象,影响服役性能及服役安全。事实上,激光增材再制作材料是该技巧的核心,有必要根据基体材料系统、热处理状态、服役条件等因素,建立激光增材再制作材料专用数据库,实现数据共享,推动激光增材再制作产业发展。

  4.再制作过程的智能化及主动化也是激光增材制作技巧的重要问题。对于激光3D打印,相对照较容易实现主动化,同种零件可以采用完整一样的制作策略。激光增材再制作技巧中,再制作毛坯种类千差万别,即便同一类零件,其损伤方法、损伤地位、损伤程度也不尽雷同,这意味着激光增材再制作很难像制作过程哪样,简略的实现批量化、主动化生产。这一特点将影响激光增材再制作的周期和效率,降低其经济性。理想状态下,先看待再制作零件进行三维扫描,反求后待再制作模型同理想零件模型进行对照,然后主动进行再制作策略的制定,断定零件上坐标参考点后,进行激光增材制作操作,经过后续处理,即可得到再制作完成零件。目前的实际操作中,三维反求后的堆积策略制定,尚不能达到最理想的状态,没有完整实现主动化及智能化,再制作效果不尽如人意,常常需要人工针对具体零件进行再制作操作,这恳求操作人员具有较高的技巧程度、增长了再制作操作的时间周期,降低了经济效益。因此,有必要持续深入研究三维反求后再制作策略方案技巧,需要注意的是,激光增材再制作技巧有基体的限制,其策略方案同激光3D打印技巧有必定的差别。

  四、结束语

  1、激光增材再制作是一项先进的再制作修复技巧,已经在钢铁、矿山、机械、交通、能源动力、航空航天、国防等领域获得了大批成功利用,创造了明显的经济和社会效益,具有广阔利用远景。

  2、残余应力调控、基体热损伤调控、界面匹配性、再制作过程的主动化及智能化是激光增材再制作技巧的四大要害问题,激光增材再制作的大规模商业化利用,依附于这四大问题的深入研究和解决。(装甲兵工程学院设备再制作技巧国防科技重点实验室)

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