激光直接制造技术解决航天航空领域难题

国际金属加工网 2017年10月10日

自20世纪90年代开始,随着计算机技术的飞速发展,激光直接制造技术逐渐成为制造领域研究的热点。激光直接快速成形技术中有2 种方法可以用于直接制造金属零件,即区域选择激光熔化技术和近净成形技术。

钛合金精密旋压技术

旋压成形技术制造的薄壁回转体壳体构件解决了在车削加工时存在的刚度低、颤动大、加工精度低等技术问题或根本无法加工的技术难题,应用于航天领域具有诸多优势。

美国强力旋压生产的φ3900mm大型导弹壳体,径向尺寸精度达到0.05mm,表面粗糙度Ra为1.6~3.2μm,壁厚差≤0.03mm。美国钛制造公司采用1.5m立式旋压机旋压φ1524mm的Ti-6Al-4V钛合金导弹压力容器封头,每个封头的旋压时间为5min。民兵洲际导弹第二级固体发动机壳体采用了Ti-6Al-4V钛合金,并用强力旋压成形,成形后的钛合金壳体重量减轻30%。围绕航天型号对轻质、高强、大型化航天需求,德国MT宇航公司采用旋压工艺制备出φ1905mm的高强Ti-15V-3Cr合金推进系统贮箱,并应用于欧洲阿尔法通信卫星巨型平台,实现了卫星平台的大幅度减重、增加有效载荷。

我国的旋压工艺与设备的研究源于60年代初期,钛合金的旋压研究始于上世纪70年代,经过40多年来的发展,基本形成了从设备的研制到工艺开发一套成熟的体系。国内航天所用钛合金及旋压制品,如火箭发动机外壳、叶片罩、陀螺仪导向罩、内蒙皮等,Ti8Al1Mo1V高钛合金用于发动机叶片热处理强化钛合金旋压成形;TB2钛合金用于小型喷管旋压等。

西安航天动力机械厂研制出国内最大直径的钛合金筒形件;通过正反2道次普旋翻边成功旋压出φ500mm的薄壁半圆钛圈,零件用于空间飞行器微动力姿态调整。

中国航天科技集团公司第703研究所采用普旋与强旋相结合的技术,以TC3、TC42种钛合金板材为坯料,热旋压制备出了2种钛合金半球形(φ内522mm×2.0mm)、圆柱形储箱壳体(φ163mm×2.0mm×200mm的杯形件,φ163mm×2.0mm×360mm及φ112mm×6.0mm×1000mm的筒形件)。

近几年来,随着计算机模拟技术的发展,数值模拟已广泛应用于金属部件旋压成形过程的分析。航天材料及工艺研究所对TC4筒形件进行了计算机模拟,分析了旋轮攻角、旋轮运动轨迹、普旋道次等工艺参数对旋压成形的影响规律,成功旋制了高深径比的TC4钛合金筒形件。尽管钛合金精密旋压技术为航天领域提供了各类合金普旋成形高深径比旋压件,但从零件的工程化应用和旋压成形的复杂性分析,还需进一步加强。总的来说,旋压技术在国内航天工业获得广泛应用,但大直径、薄壁整体钛合金热旋压成形工艺尚无应用实例,直径2.25m贮箱箱底整体旋压技术、直径5m低温贮箱箱底瓜瓣成形、钛合金及高温合金复杂结构件成形等技术还处在工艺摸索阶段。

钛合金激光直接快速成形技术

自20世纪90年代开始,随着计算机技术的飞速发展,激光直接制造技术逐渐成为制造领域研究的热点。激光直接快速成形技术中有2种方法可以用于直接制造金属零件,即区域选择激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)技术和近净成形(LaserEngineeredNetShaping,LENS)技术。国外有关大型钛合金结构件激光直接快速成形技术的研究主要集中在美国。美国AeroMet公司在2002~2005年间实现了激光直接快速成形钛合金结构件在飞机上的应用。2001年Aero-Met公司开始为波音公司F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机小批量试制发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等机翼钛合金次承力结构件。2002年制定出了“Ti6Al4V钛合金激光快速成形产品”宇航材料标准(ASM4999)并于同年在世界上率先实现激光快速成形钛合金次承力结构件在F/A-18等战机上的验证考核和装机应用。在航天领域,NASA马歇尔航天飞行中心(NASA’sMarshallSpaceFlightCenterinHuntsville,Ala.)于2012年将选区激光熔化成形技术应用于多个型号航天发动机复杂金属零件样件的制造。激光直接快速成形技术还常常被用于钛合金零件或者模具的修复。

我国钛合金结构件激光直接快速成形技术的研究,从2001年开始一直受到政府主要科技管理部门的高度重视,在飞机、发动机等钛合金结构件激光快速成形制造工艺研究、成套装备研发及工程应用关键技术攻关等方面取得了较大进展。

北京航空航天大学激光材料加工制造技术实验室以飞机次承力钛合金复杂结构件为对象,开展激光快速成形工程化应用技术研究,先后制造出TA15钛合金角盒近200件,完成了“激光快速成形TA15钛合金结构件在某型飞机上的装机评审”,首件激光快速成形TA15钛合金结构件顺利通过在某型飞机上的全部应用试验考核,使我国成为继美国之后世界上第二个掌握飞机钛合金复杂结构件激光快速成形工程化技术并实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上应用的国家。

北京航空航天大学王华明主持的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”项目研制生产出我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金等高性能难加工金属关键整体构件,并在我国大型飞机等多型飞机研制和生产中得到实际应用,从而使我国成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。

相对于国内的航空领域的研究应用,目前激光直接快速成形技术在我国航天领域的应用研究基本上还是处于起步阶段。实际上,航天液体和固体火箭发动机难加工材料、复杂型面的结构件及武器型号难加工材料轻质防热结构件可以很好地采用选区激光熔化技术实现高精度加工。

采用激光直接快速成形技术制造航空航天用的整体钛合金结构件具有材料利用率高、加工余量小、周期短和柔性高等优点。但激光快速成形过程中零件变形开裂预防,内部质量(内部缺陷、晶粒及显微组织等)及力学性能控制依旧是制约大型整体钛合金关键结构件激光直接快速成形技术发展和应用的技术瓶颈。

综合所述,钛合金精密热成形技术在获得不断进步的同时,也遇到了一些技术难题,大型整体钛合金构件的工程化应用范围还比较小,但随着航空航天产业的快速发展,钛合金精密热成形技术必定步入一个新的发展期,鉴于钛合金和精密热成形技术的突出优点,二者的结合在未来航空航天工业中的贡献作用将更为显著,今后其主要发展方向是:(1)大型或者超大型复杂(薄壁)结构件的整体精密成形、低成本、工程化应用;(2)计算机模拟(仿真)技术、CAD/CAM技术、数控技术等与精密成形技术的结合,为航空航天新构件的成形提供技术途径。


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