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航空发动机关键材料激光增材制造

国际金属加工网 2022年01月25日

航空航天是增材制造(AM)发展的关键市场驱动力,因为其高价值的零件往往需要多品种小批量生产、高度集成的复杂结构和快速高效的制造流程。激光增材制造(LAM)航空发动机材料近年来取得了快速而显著的进展,包括先进的高强度钢、镍基高温合金和钛基合金等。尽管新兴材料(如高/中熵合金和异质结构材料)具有良好的机械性能,但在实际应用于发动机零件之前,仍然需要严格的表征、测试、鉴定和认证。因此,深入了解这些广泛使用的航空发动机材料的工艺参数-微观结构-机械性能之间的关系,对于推动优质高性能合金的发展仍然十分重要。

新加坡制造技术研究院的研究人员对激光粉末床熔融(LPBF)和激光定向能量沉积(LDED)制备的关键航空发动机材料进行了综述,总结了这些航空发动机材料的材料特性和性能范围,并概述了当前的研究空白区。此外,对LAM面向航空发动机材料的研究机遇、新材料开发、新兴技术和新型数字化研发方法进行了展望。

作为高价值产品行业,航空航天行业一直是先进制造技术发展和应用的强大推动力。随着航空工业对节能减排、轻量化、可靠性和舒适性要求的不断提高,传统的制造工艺已经越来越难以满足需求。增材制造(AM)独特的逐层沉积方式,为制造几何形状、材料、性能和功能较为复杂的零部件提供了无限可能。因此AM的快速发展为满足这些行业需求提供了可能性。

AM已在航空航天、汽车电子医疗、军事、建筑等行业得到了广泛应用。全球AM市场规模从2013年的约30亿美元迅速增长到2019年的118.67亿美元。如图1所示,近年来年增长率均超过20%。随着AM行业市场规模的扩大,航空航天行业在2019年将迅速接近20亿美元。AM在航空航天行业的应用占据了整个AM市场的很大一部分,这是因为AM应用于航空航天领域有诸多显著优势,包括: (1) 几何设计和优化的自由度高; (2) 功能组合和零件整体化,减少装配,提高性能和可靠性; (3) 提高材料利用率和能源效率; (4) 定制和小批量生产优势; (5)大大缩短产品的生产和交付周期。

图15.激光增材制造先进高强钢的强塑积vs屈服强度汇总图。

图18.镍基高温合金的可焊性随Al和Ti含量的变化。


图22.激光增材制造镍基高温合金的典型显微组织特征。

图26.激光增材制造镍基高温合金的室温拉伸性能汇总。

图27.激光增材制造镍基高温合金的室温拉伸屈服强度与维氏硬度的关系。

图28.激光增材制制造镍基高温合金的拉伸性能。

图34.激光定向能量沉积Ti-6Al-4V合金的典型显微组织特征。

图35.激光增材制造Ti-6Al-4V合金中晶内亚结构特征。

图41.选区激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲劳性能汇总及与锻件Ti-6Al-4V合金的对比。

图45.激光增材制造先进高强钢、镍基高温合金、钛合金以及TiAl合金的室温拉伸性能汇总及对比。

图47. (a) 原位电磁搅拌辅助LDED 装置的示意图 [451], (b) 同步感应加热辅助LDED 装备示意图 [453], (c) 高强度超声辅助LDED 技术的工艺原理及其产生的微观结构 [454], (d) O-LHAM 实验装置示意图。

图50.激光增材制造专用新材料设计路线归纳图。

图51.面向航空发动机的增材制造合金研发新路线的观点和展望。

LAM克服了传统制造方法的缺点,在航空发动机领域具有广阔的应用前景。本文综述了航空发动机中广泛使用的先进高强度钢、镍基高温合金、钛合金和钛铝合金材料的研究现状和发展趋势,重点分析了LAM加工工艺、微观组织(如形态/织构、析出相、相组成/相变)和力学性能(静态和动态)之间的关系;分析了LAM技术未来的发展趋势,提出了基于LAM过程中独特的热输入研发专用新材料的方法和思路,设计了航空发动机零部件数字化研发制备路线。

为了确保飞行安全、经济和环境效益,先进航空工业对航空航天部件提出了严格的要求(如轻量化、高强度、高韧性等)。当※终目标涉及同时优化多种材料性能(例如,高强度、隔热耐火材料和耐腐蚀性)时,传统的材料设计和开发中采用试错法效率极低。因此,面向高质量航空发动机部件的新型研发方式,有助于处理这一复杂的多目标优化过程。数字化技术的进步,如人工智能(AI)和机器学习(ML),开启了航空发动机部件数据驱动材料开发的新时代。

图51所示是作者展望的新型研发路线图。新的数字化技术可以基于来自高通量实验基因工程的大数据来模拟※佳合金成分、微观结构演变甚至零件性能。因此,航空发动机部件的研发将涉及多学科知识和专业知识,包括基于AI/ML的计算、多尺度模拟、在线监测、微观结构控制、功能增强、后处理、性能测试和结构拓扑优化等。通过研究人员的集体努力、数据共享、加工和测试方法的标准化,增材制造先进高性能航空发动机新材料和功能件将能够实现。

(材料科学与工程 )

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