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航天航空零件先进成形技术---金属3D打印
2019年04月03日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:487
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随着金属3D打印技术的蓬勃发展,航天航空已经成为这项技术的最大应用市场。其中,镍基高温合金、钴铬合金、钛合金、铝合金的3D打印发展最为迅速。2017年,GKN航空航天公司向法国空中客车和赛峰集团提供了先进的Ariane6号火箭喷嘴(SWAN)。该火箭喷嘴通过激光焊接和激光能量沉积工艺对关键结构零部件进行加工,使得喷嘴的零部件数量减少了90%,从约1000个零部件减少到约100个零部件,可以降低40%的成本和30%的交货时间。

1 Arian6火箭构形图,欧洲航天工业对Arian6火箭报以厚望,希望以此占据巨大的航天发射市场(图片来源:网络)

可见,近些年蓬勃发展的金属3D打印技术,已经开始占据高端航天航空领域的市场。金属粉体,作为3D打印的主要耗材,对打印产品的质量有着至关重要的影响,其具体要求包括以下几个方面。

纯净度

首先,金属粉体中不能有陶瓷夹杂物,由于陶瓷夹杂物熔点高,难以烧结成形,会显著降低最终制件的性能。

除此之外,氧、氮含量也需要严格控制。目前用于金属3D打印的粉末制备技术主要以雾化法为主(包括气雾化和旋转电极雾化等技术),粉末具有大的比表面积,容易氧化。在航空航天等特殊应用领域,客户对此指标的要求更为严格,如高温合金粉末氧含量0.006%~0.018%,钛合金粉末氧含量为0.007%~0.013%,不锈钢粉末氧含量为0.010%~0.025%(均为质量分数)。

因此,航天航空用高质量3D打印零件对粉体纯净度有高要求。

粒度分布

通常,金属3D打印使用的粉末粒度范围是15~53μm(细粉)、53~105μm(粗粉),部分场合下可放宽至105~150μm(粗粉)。这是因为不同能量源的金属打印机对粉末粒度要求不同。

激光能量源的打印机,适合使用15~53μm的粉末作为耗材,粉末补给方式为逐层铺粉;电子束作为能量源的铺粉打印机,更适于熔化粗粉,适合使用53~105μm的粗粉为主;对于同轴送粉型打印机可采用粒度为105~150μm的粉末作为耗材。图2为两种高品质金属3D打印设备结构示意图,这是目前应用最为广泛的两种3D打印设备。


2两种高品质金属3D打印设备结构示意图(左图为铺粉型,图为同轴松粉型)

(图片来源:航空航天用高品质3D打印金属粉末的研究与应用)

形貌

一般而言,球形度越高,粉末颗粒的流动性也越好。3D打印金属粉末要求球形度在98%以上,这样打印时铺粉及送粉更容易进行。表1为不同粉体制备方法及对应形貌特征。

1不同粉体制备方法及对应形貌

粉体制备方法

粉体形貌

旋转电极法

球形

气雾化法

近球形

塑性金属机械研磨

片状

机械粉碎

多角形、不规则形

水熔液点解

树枝状

金属氧化物还原

多孔海绵状

金属漩涡研磨

蝶状

水雾化

不规则形

化学沉淀

不规则形

 

松装密度

松装密度是指粉末试样自然地充满规定容器时,单位容积的粉末质量。一般情况下,粉末粒度越粗,松装密度越大,粗细搭配的粉末能够获得更高的松装密度。松装密度对于金属打印最终产品的密度影响尚无定论,但松装密度增加,可改善粉末的流动性。粉末流动性直接影响打印过程中铺粉的均匀性和送粉过程的稳定性。

综上所述,纯净度、粒度分布、形貌、松装密度是金属3D粉体的几个重要性能指标。制备方法的优劣直接影响了粉体的性能指标,进而影响最终成形零件的最终质量。目前,在金属3D打印粉体制备方法上,氩气雾化法(AA法)和等离子旋转电极法(PREP法)及其基础上发展的变体获得了广泛应用。

AA法制粉是利用快速流动的氩气流冲击金属液体,将其破碎为细小颗粒,继而冷凝成为固体粉末的制粉方法。AA法在制粉时,金属熔体要接触坩埚,耐火材料受到侵蚀可能会增加金属粉末中的陶瓷夹杂,尤其是制备较为活泼的钛合金粉末时,金属会与耐火材料发生反应,不仅增加夹杂物,还会使粉体成分发生改变。

3 AA法制粉和PREP法制粉设备示意图,图为AA法,图为PREP法

(图片来源:航空航天用高品质3D打印金属粉末的研究与应用)

PREP法是将制粉的合金制成电极,采用等离子弧使其局部熔化,合金电极在惰性气体中高速旋转,在离心力作用下熔化的金属形成球状合金粉末。这种方法制得的球形金属粉末没有耐火材料的污染,洁净度更高。不过,PREP法中电极棒的直径小、转速低,存在粉末粒度粗大、效率低的问题。

针对金属粉体制备中的诸多问题,国内众多诸如中航迈特一样的企业一直在努力。作为专业3D打印金属制粉装备及工艺技术开发的高新技术企业,中航迈特始终致力于研发世界一流的制粉工艺。据悉,中航迈特针对传统氩气雾化法,采用改进的真空感应气雾化(VIGA)和电极感应气雾化(EIGA),新的气雾化方法不需要坩埚,因此无耐火材料夹杂且能耗小;针对PREP法,中航迈特开发了新一代等离子旋转电极雾化制粉技术及装备(N-PREP),逐步克服直径小、转速低、不能连续性生产等问题。

目前,中航迈特主推五大核心系列粉末材料,分别是钛合金粉末、镍基合金粉末、钴铬合金粉末、铝合金粉末和铁基合金粉末。这几种3D打印粉末材料目前我国大多依赖进口,中航迈特的高品质粉末产品已经实现部分替代进口。

4 中航迈特是航天航空球形金属粉末材料领航者,专业的粉末材料装备一体化服务商(图片来源:中航迈特)

小结

金属3D打印已经成为航空和航空航天领域的一项关键技术,因为它的优势与该行业的主要需求保持一致,包括减轻重量、节省燃料、提高运营效率、部件整合、加速上市时间和减少对零部件的存储要求。其中,金属粉末是金属3D打印的重要耗材,目前中国已拥有多套先进制粉设备投入应用,其中AA法和PREP法已经取得较大发展,在此基础上开发出的无坩埚新型气雾化方法以及新的等离子旋转电极装备在逐步投入应用,高端粉体的国产替代进口,正在成为现实。

不过,在具体的工程化应用方面,我国高品质合金材料用大容量真空感应熔炼和气雾化制粉成套装备技术还面临较多技术壁垒和挑战,国内还不具备开发吨级大容量真空感应气雾化制粉设备的能力,仍依赖于高价引进成套设备。未来,金属3D打印仍将在很长一段时间代表着航天航空领域的先进制造技术,其中,更经济、更科学、更高效的金属粉体制备技术仍将是金属3D打印的主战场。

参考文献

航空航天用高品质3D打印金属粉末的研究与应用;北京钢研高纳科技股份有限公司,韩寿波,张义文,刘明东,贾建;钢铁研究总院高温材料研究所,韩寿波,张义文,刘明东,贾建;北京航空航天大学材料科学与工程学院,田象军。

By:火宣


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