3D打印技术突破现有金属零部件制造瓶颈

激光制造技术已成为新一代高端制造技术之一,增材制造(3D打印),是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,是实现高端装备制造突破的关键技术。但同时,工业上无法大面积推广,却让浙江工业大学机械工程学院姚建华教授敏锐地察觉到“这里面一定有文章可做。”

作为浙江省高端激光制造装备协同创新中心执行主任,姚建华在激光技术领域早有建树。几年前,通过引进乌克兰的单元技术,该中心研发出了通过激光强化汽轮机叶片防水蚀能力,实现了国产化的汽轮机叶片防水蚀能力的重大突破,彻底地打破国外垄断。而今,在国家自然科学基金-浙江“两化融合”基金的推动下,姚建华团队提出了“基于超音速激光沉积的金属增材制造技术基础研究”,将目光瞄准了“超音速冷喷涂+激光技术”这种新型的3D打印技术。

姚建华说,高端装备制造是浙江省和国家未来发展的重要方向,但目前我国存在基础研究薄弱、先进制造手段缺乏、制造过程能耗大等问题,严重制约其发展,而作为实现这一突破的关键技术,3D打印由于存在着效率低、成本高及质量难以控制三大难题,成为了现阶段实现工业化应用的主要瓶颈。

瞄准三大难题,结合先前经验,姚建华团队创新的将3D打印与超音速冷喷涂技术相融合,提出了超音速激光沉积技术,该技术利用了超音速激光沉积技术和激光熔覆技术的各自优势,具有沉积效率高、温度低、成本低、性能高等优点,是一种极具潜力的新型金属3D打印技术。

“就以汽轮机叶片为例,这项技术又可以让它的防水蚀能力实现突破。”指着实验室里躺着的一个叶片,姚建华向记者介绍起来。具备高度防水蚀的汽轮机叶片在国际市场上单价卖到2-3万欧元,相当于一台奥迪车的价格,而国内一个百万发电机组里面就需要用到一千多个不同型号的叶片。随着使用时间的增加,叶片迎风的部位会出现破损,这势必要让发电机组停机后进行维修或者叶片的更换。

但是有了新型金属增材制造技术后,这一现象就能得到根本的改观。一方面,对现有叶片的维修成本能够大大降低,将破损的叶片用强度更高的材料进行金属3D打印即可修复;另一方面,在全新叶片的制造过程中,除了运用激光表面强化外,在关键部位能够用强度更高的材料进行一体化打印制造,极大地提升叶片的使用寿命,预计用新型增材制造技术,其效率和性能比目前单一的激光3D打印至少增加数倍,而且成本不增反降。

姚建华说,目前课题组是国际上首个提出将超音速冷喷涂沉积与激光技术相结合实现金属3D打印的观点。在前期基础研究基础上,协同创新中心将联合剑桥大学合作等国内外顶级团队,通过对超音速动量场与高能激光束温度场等多能量场耦合关系、沉积层颗粒和沉积层之间的固态结合机理以及增材制造形成过程中缺陷及应力的产生机制等科学问题的研究,获得实现增材制造必须的工艺及质量控制方法,打破现有金属零部件增材制造技术瓶颈,最终利用该技术实现高端装备关键零部件的高效率、高品质、低成本智能化增材制造,为浙江乃至全国制造业转型升级提供关键技术支撑。


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