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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)。当最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最佳合金成分、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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