3D打印(AM)熱等靜壓(HIP)復(fù)合整體成形航空航天復(fù)雜零部件基礎(chǔ)研究

3D打?。ˋM）/熱等靜壓（HIP）復(fù)合整體成形航空航天復(fù)雜零部件基礎(chǔ)研究匯報(bào)提綱一、立項(xiàng)依據(jù)和關(guān)鍵科學(xué)問題二、主要研究?jī)?nèi)容與研究方案三、工作基礎(chǔ)和研究條件四、預(yù)期目標(biāo)一、立項(xiàng)依據(jù)和關(guān)鍵科學(xué)問題推重比是衡量航空運(yùn)載器飛行性能的重要指標(biāo)中美軍用發(fā)動(dòng)機(jī)差距對(duì)比高推重比是航空發(fā)動(dòng)機(jī)追求的永恒主題航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜：以往采用鍛造、焊接連接的零件均轉(zhuǎn)向整體成形設(shè)計(jì)，如機(jī)匣等關(guān)鍵零件。波音787發(fā)動(dòng)機(jī)(Rolls-Royce:Trent1000)組成零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性能要求高新一代高推重比（五代機(jī)12-15）發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件力學(xué)性能要求更高：如中介機(jī)匣服役溫度350℃的抗拉強(qiáng)度不低于500Mpa。發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件發(fā)展趨勢(shì)：復(fù)雜化、高性能化高推重比要求發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件向復(fù)雜化、高性能化方向發(fā)展關(guān)鍵零件成形技術(shù)機(jī)加工精密鍛造精密鑄造焊接…CFM56-7發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣（

1067×290mm）CF6-80發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣（1300×350mm）零件：復(fù)雜化精密鑄造成為主流成形技術(shù)鑄件由18%增至44%用于機(jī)匣、葉片、整體葉盤等零件制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件主要成形技術(shù)精鑄是目前發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件主流的成形技術(shù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的傳統(tǒng)成形制造亟待尋求新的突破精鑄是目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件的主流成形技術(shù)，但精鑄面臨突出的組織和性能問題，以機(jī)匣零件為例，主要問題如下：冶金質(zhì)量差，組織不均勻、力學(xué)性能偏低復(fù)雜零件易變形，尺寸控制難度大表面質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，影響壽命流道內(nèi)腔成形質(zhì)量差，鑄件成品率低精鑄航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件典型缺陷：氣孔、縮孔、缺肉（從左至右）精鑄技術(shù)所面臨的突出問題HIP直接成形航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件較為困難熱等靜壓（HIP）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和面臨的問題碳鋼包套填充粉末

熱等靜壓全致密零件近凈成形零件

去除包套性能好：具有鍛件的綜合機(jī)械性能，以及精密鑄造的表面質(zhì)量精度高：整體近凈成形的尺寸精度達(dá)到0.1mm材料利用率高：超過90%，幾乎不存在任何廢料流程短：縮短了由設(shè)計(jì)到制造時(shí)間間隔蒸汽室零件美國(guó)ABB公司高溫盤零件法國(guó)SEP公司300mm高溫合金葉輪俄羅斯LNT研究室包套制造難異質(zhì)包套與粉末存在界面污染異質(zhì)包套難除去技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)瓶頸3D打?。ˋM）技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和面臨的問題但3D打印技術(shù)可為HIP復(fù)雜包套和型芯加工提供可行的技術(shù)方案設(shè)備示意圖原理示意圖三維——二維——三維的轉(zhuǎn)換CAD模型堆積成形產(chǎn)品北航王華明團(tuán)隊(duì)制造大型結(jié)構(gòu)件西北工業(yè)大黃衛(wèi)東制造大型結(jié)構(gòu)件成形任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)縮短制造周期降低制造復(fù)雜度技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用技術(shù)缺陷各向異性、高強(qiáng)度底韌性、表面質(zhì)量差無法應(yīng)用到關(guān)鍵性功能部件本項(xiàng)目提出的復(fù)合整體成形工藝是突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸潛在的有效途徑某現(xiàn)役軍用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)用中介機(jī)匣AM/HIP復(fù)合整體成形方法的提出航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件，如機(jī)匣3D打印（AM）熱等靜壓(HIP)復(fù)合整體成形方法AM/HIP復(fù)合整體成形方法的提出航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件，如機(jī)匣增材制造（AM）熱等靜壓(HIP)復(fù)合整體成形方法HIP/AM復(fù)合整體成形方法優(yōu)勢(shì)：熱等靜壓：良好的綜合力學(xué)性能整體成形：任意形狀零件整體成形增材制造：時(shí)間短，材料利用率高同質(zhì)包套：避免異質(zhì)材料對(duì)零件的污染異質(zhì)型芯：良好的零件內(nèi)腔表面質(zhì)量與鍛件的相當(dāng)力學(xué)性能，同時(shí)擁有鑄件的整體復(fù)雜結(jié)構(gòu)及內(nèi)腔表面質(zhì)量AM/HIP復(fù)合整體成形方法的提出航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件，如機(jī)匣3D打?。ˋM）熱等靜壓(HIP)復(fù)合整體成形方法創(chuàng)新點(diǎn)方法創(chuàng)新提出了一種用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零件整體成形的新方法。該復(fù)合整體成形方法與傳統(tǒng)機(jī)加工、鑄鍛焊工藝在成形原理、工藝實(shí)現(xiàn)方式和零件組織與性能特征等方面均有較大差別。成形的零件具有與鍛件相當(dāng)?shù)牧W(xué)性能和鑄造整體結(jié)構(gòu)，以及良好的內(nèi)腔表面質(zhì)量，具有明顯的創(chuàng)新和特色。技術(shù)創(chuàng)新

3D打印技術(shù)引入有望推動(dòng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零件由原有的面向制造工藝的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向面向最優(yōu)性能的設(shè)計(jì)，從而在設(shè)計(jì)階段提升零件使用性能，這與其它制造工藝對(duì)比具有非常大的變革。二、主要研究?jī)?nèi)容與研究方案組織演變機(jī)理復(fù)雜研究?jī)?nèi)容1：同質(zhì)包套3D打印成形與成性一體化調(diào)控后處理工藝力學(xué)性能的提升和工藝加載路線的優(yōu)化缺陷消除和后處理工藝的優(yōu)化理論分析優(yōu)化設(shè)計(jì)高溫SLM成形件力學(xué)性能的提升和工藝加載路線的優(yōu)化難點(diǎn)激光作用下SLM零件組織演變規(guī)律復(fù)雜SLM成形件的缺陷消除和后處理工藝的優(yōu)化顯微組織分布相組成元素分布微觀特征形貌粉末參數(shù)優(yōu)化工藝參數(shù)設(shè)計(jì)后處理工藝優(yōu)化SLM工藝平臺(tái)搭建后處理工藝平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)搭建工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論與實(shí)驗(yàn)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)理論分析調(diào)控體系實(shí)驗(yàn)研究SLM成形研究方案研究?jī)?nèi)容1：同質(zhì)包套3D打印成形與成性一體化調(diào)控常溫下力學(xué)性能高溫下力學(xué)性能研究?jī)?nèi)容2：多形態(tài)材料在HIP中的組織性能與形變調(diào)控方法粉末致密化組織與性能界面冶金結(jié)合溫壓協(xié)同調(diào)控溫、壓及加載調(diào)控多形態(tài)材料界面冶金結(jié)合的調(diào)控粉末致密化規(guī)律及其對(duì)組織性能的影響溫度、壓力、加載歷程及冷卻速度的調(diào)控難點(diǎn)界面擴(kuò)散粉末微觀流動(dòng)與界面擴(kuò)散規(guī)律網(wǎng)格應(yīng)變分析組織性能形變調(diào)控局部控形控性材料宏觀塑性變形規(guī)律整體控形控性數(shù)值模擬方法溫度、壓力、加載歷程以及冷卻速度研究方案研究?jī)?nèi)容2：多形態(tài)材料在HIP中的組織性能與形變調(diào)控方法包套組織性能控制梯度組織的失效機(jī)制界面擴(kuò)散冶金機(jī)理三、工作基礎(chǔ)和研究條件樹脂粉末包套零件CAD模型增材制造熔模型殼型芯零件研究基礎(chǔ)-包套與型芯制造技術(shù)增材制造方面開展了較為了深入的研究，研制與開發(fā)了多種增材制造設(shè)備及相關(guān)軟件；同時(shí)開展了包套與型芯的增材制造研究。成功摸索出一條HIP用粉末真空高溫凈化工藝路線，能夠有效的去除粉末表面有機(jī)物污染層，可為零件的高質(zhì)量奠定基礎(chǔ)。研究基礎(chǔ)-HIP粉末凈化技術(shù)Ti6Al4V粉末表面成分分析，存在：TiO2、Al2O3以及H2O、C2H6、CH4、CO2、CO等粉末凈化前后對(duì)比示意圖(a)(b)(c)(d)

優(yōu)化前后性能對(duì)比常溫拉伸強(qiáng)度為1025MPa，提高7.4%，屈服強(qiáng)度為930MPa，提高6.2%疲勞極限為450MPa，提高28.6%采用優(yōu)化工藝零件力學(xué)性能得到顯著提高提出了先升溫后升壓的HIP優(yōu)化工藝，能夠使粉末產(chǎn)生大塑性變形，并充分破碎粉末顆粒邊界，使粉末氧化層擴(kuò)散充分，從而提高了零件的力學(xué)性能。研究基礎(chǔ)-HIP工藝優(yōu)化技術(shù)工藝設(shè)計(jì)零部件制造粉末材料制備表征研究基礎(chǔ)-HIP技術(shù)制造零件探索了異質(zhì)包套HIP技術(shù)的工藝，成功制造出高性能的航空縮比零件，并申請(qǐng)了5項(xiàng)發(fā)明專利。Ni625粉末HIP整體近凈成形渦輪盤316L粉末HIP整體近凈成形渦輪盤Ti6Al4V粉末HIP整體近凈成形葉盤零件HIP整體近凈成形的縮小比例的機(jī)匣四、預(yù)期成果學(xué)術(shù)成果預(yù)期成果建立