新趨勢:使用多工藝融合開發3D打印多材料梯度合金(轉)

閱讀次數:118     發布時間:2021-06-28

梯度材料是兩種或多種材料復合成組分和結構呈連續梯度變化的一種新型復合材料;它要求功能、性能隨內部位置的變化而變化,實現功能梯度。在組合方式上,梯度材料有金屬/金屬、金屬/陶瓷、金屬/非金屬、陶瓷/陶瓷、陶瓷/非金屬以及非金屬/塑料六種。在制造工藝方面,對于不同的材料組合方式已經發展出了不同的工藝類型,3D打印是其中之一。

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在往期文章中,我們已經注意到歐洲的多國團隊已經發起了聯合項目,共同推動多材料、多工藝協同金屬3D打印。國內清華大學林峰教授團隊、北京科技大學曲選輝教授團隊以及華南理工大學楊永強教授團隊也已將該方向納入其中。本期,3D打印技術參考以NASA的實踐為例,介紹采用最優的工藝組合實現多金屬梯度成型的實踐案例。




增材制造為開發具有復雜內部特征和薄壁的火箭發動機組件帶來了重要設計和制造機會,但主流的工藝都集中在制造單一材料,而現實應用中的整體式部件可能是多種材料的組合。因此,現有的增材制造工藝無法完全優化應用結構。NASA在定向能量沉積技術方面的探索已經表明,增材制造為節省成本和縮短制造周期帶來了可觀回報,同時使零件重量和性能也得以優化。


GRCop-84銅合金與Inconel 625的復合


NASA于2014年開始旨在探索使用3D打印技術生產低成本上層級推進系統能力的LCUSP項目。在該項目中,NASA成功展示了使用激光粉末床熔融技術(SLM/L-PBF)制造GRCop-84銅合金燃燒室襯里以及使用電子束自由沉積技術(EBF)在推力室襯里上制造Inconel 625冷卻通道和外壁的能力。這種3D打印的多金屬復合結構燃燒室于2018年成功進行了熱火測試,NASA還通過與工業界的合作進一步將其發展為成熟的雙金屬燃燒室。

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LCUSP項目的成功實踐表明,不同工藝之間的“最佳組合”為快速開發低成本、梯度材料高質量火箭推進部件提供了上升通道。


GRCop-42銅合金與HR-1鎳基高溫合金的復合


RAMPT是NASA于2017年開始的另一項借助3D打印開發并推進火箭發動機部件設計與制造的項目,其不僅希望減少零件數量和重量、提高可靠性,還希望保持穩定的供應鏈。在該項目中,NASA采用激光能量沉積技術(LP-DED)打印了直徑1.5米、長度1.8米的鎳基高溫合金(NASA HR-1)整體通道火箭噴嘴,并將零件數量從1100多個減少到10個以內,制造時間也僅僅90天。這種近乎完整的原型設計和制造能力使研究團隊迅速用于制造更大尺寸的火箭演示器件,如SLS火箭的RS-25發動機噴嘴,它的尺寸相當于此前打印噴嘴尺寸的1.5倍。研究人員最終在五個月內驗證了3D打印的整體冷卻通道和薄壁結構,并有效控制了打印變形。

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RAMPT項目進一步增強了3D打印在噴嘴和燃燒室制造中的優勢,并進一步完善了相關技術。NASA近些年新開發了一種新的3D打印銅合金GRCop-42,并正在研究在SLM打印的該合金的燃燒室上直接采用激光沉積HR-1高溫合金冷卻通道噴嘴,這種整體式的結構將不再需要螺栓連接,增加了結構穩定性。與之相關的預防構建失敗和變形的建模、工藝仿真也都在計劃之內,相關的材料表征、測試等也在進行之中。

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GRCop銅合金系列已經在NASA多個項目中獲得測試和應用,同時HR-1高溫合金的微觀結構和材料特性也正在得到研究。結合銅合金的導熱性和鎳基合金的高溫強度,雙金屬或多金屬的一體化結構部件無疑會減少很多制造步驟并增加穩定性。但是,與其將這種結構稱之為雙金屬或者多材料,不如稱其為梯度材料。


3D打印梯度材料在航空航天領域大有可為


成分梯度合金在航空航天領域具有重要的應用潛力,工件的不同位置工作條件可能不同,所需要的的特性也會有差異。例如一個位置需要抗腐蝕,另一個位置需要抗蠕變,這就需要連接兩種或多種不同的合金;再以燃燒室為例,其襯里需要銅合金的高導熱性,外層則需要鎳基合金的高溫強度。雖然目前已經有冷/熱涂層和熔焊等不同的金屬連接技術,但它們對于大型部件的連接要么成本很高,要么工藝復雜。


使用激光粉末床熔融(LPBF)和直接能量沉積(DED)等技術對金屬部件進行增材制造具有非常大的優勢,它提供了更好的尺寸精度,最大限度的減少后處理,并改進了組合材料的機械性能。

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在該領域,清華大學、西安交通大學、北京科技大學等均有知名學者在進行研究;北京隆源和廣州雷佳也開發了基于鋪粉的多材料3D打印設備。除此之外,中航工業沈陽飛機設計研究所早在多年前已經采用增材制造實現了300M與A-100鋼梯度復合設計成型,這種方式可以使飛機起落架的制造成本降低45%。而至于國內火箭燃燒室等部件的制造則沒有任何消息,也并不排除已經開始研究或早已取得了重要成果的可能。


END


金屬3D打印技術包含多種不同的工藝,粉末床熔融、定向能量沉積、冷噴涂等等,各種工藝已經證明適用于不同的制造領域。然而各種工藝都有其技術限制,無論受制于材料、尺寸還是成本,各項工藝無法通用。


如何推動金屬增材制造多材料和多工藝融合發展,充分發揮增材制造技術的潛力,綜合運用多種工藝突破單一技術的制造極限,正在美國和歐洲地區獲得關注(查看延伸閱讀)。


本文轉自 3D打印技術參考


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