高能束流增材制造技术引领飞行器结构设计新变革.pdf

《高能束流增材制造技术引领飞行器结构设计新变革.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、二盟凹蜒高能束流增材制造技术引领飞行器结构设计新变革TransformationofAirVehicleStructuralDesignLedbyHighEnergyBeamManufacturingTechnology中航工业成都飞机设计研究所中航工业北京航空制造工程研究所柏林毕业于南京航空航天大学。现任中航工业成都飞机设计研究所材料与连接设计师．长期从事航空材料及制造工艺的应用研究工作。已发表论文20余篇。钛合金因其比强度高、热稳定性好、耐腐蚀性能优异等特点，成为了航空航天领域重要结构的主选材料[1-210其应用

2、水平已是衡量飞行器先进性的重要标志之一。如波音787大型客机钛合金用量已超过机体结构重量的15％，美国第四代战机F一22钛合金用量更是高达41％口I。26航空制造技术·2013年第21期柏林黄建云吉芬赵志国李怀学高能束流增材制造技术不受模具、刀具、夹具等限制，可制造任意复杂形状结构件。该技术使复杂零件的制造问题迎刃而解。大大开阔了设计思维，必将改变飞行器的设计和制造。引领飞行器结构设计新变革。近年来，航空航天装备更加注重追求轻质化和可靠化，越来越多地采用整体结构件。因此，单个结构件的尺寸和复杂性不断增加，对结构件加工

3、制造要求日趋苛刻。然而，钛合金高熔点、高韧性的特点，使得复杂整体结构件和精密复杂结构件的制造尤其困难。特别是越来越多的异形结构，传统的锻造、铸造、焊接、机加等成形工艺已无法满足结构件的设计要求。对于设计员来说，传统制造工艺过多的条件要求也严重限制了他们的设计思维，许多理想的结构形式由于无法实现而放弃，严重影响了飞行器结构设计的创新，成为航空航天装备进一步发展的瓶颈。因此，研究开发能够解决航空航天整体复杂钛合金结构件难以加工、甚至无法加工问题的制造技术途径，已成为先进制造技术的重要发展方向和前沿热点课题[4-5]。高能

4、束流增材制造技术高能束流增材制造技术是一种从三维数模概念设计到三维实体柔性制造一体化的高新技术，它以离散／堆积增材制造的成形思想为基础，综合利用高能束热源、计算机、数模、数控、冶金和新材料等多学科交叉融合的一项高新的先进制造技术。该技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可直接根据零件三维数模，利用金属粉末(或丝材)直接获得任意复杂形状的实体零件或只需要进行少量加工的毛坯，易于实现“近净成形”的材料加工新理念，特别适用于制造具有复杂结构的难加工钛合金零件；并型蜓二生生且制造过程无需任何工装夹具和模具，具

5、有高灵活性、高材料利用率、高效率以及低成本等优势。由于材料及切削加【的节省，其制造成本可降低20％～40％，生产周期也将缩短80％16I；从材料性能角度，该技术制造的结构件具有微细、均匀的快速凝固组织、各项同性及优异的综合性能。特别适用于航空航天领域限量订单需求或特别定制化的要求。随着高能束流增材制造技术的应用不断扩大，该技术在不同应用领域进一步发展，形成了3种各具特点的直接成形技术，即激光近净成形技术、激光精密成形技术、电子束快速制造技术，如表l所示"】。目前，以上3种技术已发展到金属原型直接制造阶段，尤其是在钛合

6、金材料上的成功应用将对航空工业产生非常重要的影响。1激光近净成形技术激光近净成形技术是基于快速原型技术和同步送粉激光多层熔覆技术基础上发展起来的。该技术根据零件j维数模，利用激光熔化同步供给的金属粉末形成熔凝组织，通过多层熔覆制造三维实体零件，实现高性能难加工金属零件的快速、无模具“近净成形”，如图l所示。钛合金激光近净成形技术主要以粒径为90—350“m的钛合金粉末为原材料，如图2所示。成形过程中为提高成形效率，实现较大的粉末供给速度，激光束一般具有较大的能量，形成较深的熔池和较厚的沉积层。因此，该技术具有较快的制

7、造速表1高能束流制造技术特点比较“锻造、板材或棒材+机加”相比，大大减少了机械加工过程，材料利用率从5％左右提高到60％以上。另外，该技术不需使用模具，不受原材料毛料尺寸的限制，适合制造尺寸较大的整体钛合金结构件，达到减少机械连结和焊缝，减少零件数量，减轻结构重量，提高结构整体刚度的效果j2激光精密成形技术激光精密成形技术，又称选区激光熔化成形技术，也是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的高能束流制造技术。根据零件三维数模，利用高能量激光束逐层熔化金属粉末，通过逐层铺粉、逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零

8、件。该技术可实现高性能的结构异常复杂的金属零件的快速、无模具“净”成形喁l，如图3所示。与激光近净成形技术相比，激光精密成形技术精度更高，表面质量更优异，能够直接制成终端零件，激光近净成形技术大中较复杂较差不需要后续加工，属于“净”成形。少量加工较高无较好激光精密成形技术巾小擞端复杂优婷对于钛合金，该技术通常采用粒径零枷I+IlJ无较好电子束快