通过技术验收,宁波材料所在复杂异型孔的激光加工方面取得进展

激光加工作为一种非接触式的加工方式,具有快速、灵活、能量精密可控及对难加工材料的广适性等特点,在多层复合结构的精密低损伤加工上具有独特的优势。但要利用激光在外形曲面、内腔复杂的结构上加工出高精度复杂异型孔而又不伤及内腔背壁,面临着很多的技术挑战,包括:单台激光器一次装卡穿越合金/TBC复合结构,实现多类材料单一工况的升华式加工;大倾角、大深度、三维可控、精密低损伤加工;复杂叶片的空间在线定位与校正等。

7月19日,中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属二级所先进制造所激光与智能能量场制造工程团队承担的中科院仪器装备研制项目“航空发动机涡轮叶片复杂异型孔加工系统”技术验收会议在宁波材料所举行。来自中科院上海光学精密机械研究所、中科院上海硅酸盐研究所和宁波海天精工的专家以及团队10多名科研人员参加了现场技术测试。

3D打印技术是基于CAD(计算机辅助设计,Computer Aided
Design)数据模型将材料逐层堆积,直接制造三维物理实体的新型制造技术。这一技术可以快速成型任意的复杂结构,克服传统工艺难以加工或无法加工的局限,实现真正意义上的自由设计和制造。在过去的十年间,以数字化、个性化、定制化为特点的3D打印技术极大地吸引了学术界和工业界的研发兴趣。在《中国制造2025》发展纲要中,3D打印技术和装备研发被提升至国家战略发展高度,将成为我国由制造大国向制造强国转型升级进程中的重要推动力量。
南方科技大学机械与能源工程系朱强教授团队依托于深圳市高机能材料增材制造重点实验室,结合团队长期在金属凝固控制理论、精密成形技术及凝固过程数值模拟等领域的研究背景,将重点开展包括铝合金、镍基合金、模具钢及钛合金等在内的金属材料3D打印基础理论与应用技术研究。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所所属先进制造技术研究所激光与智能能量场制造团队自2012年起,启动了高速皮秒/纳秒激光微细加工项目,针对复杂异型孔激光加工工艺进行了深入的研究和大量的实验,近期取得新进展。

专家组听取了项目负责人张文武的项目工作报告,现场审议了技术测试大纲,并按照测试大纲逐项测试技术验收指标,现场进行五轴联动坐标转换、自动对焦与补偿、法向自动检测与倾角控制、多工位异型孔CAD驱动智能化加工等功能演示,并对平板零件和叶片试件进行现场打孔,充分考察了装备的运动能力、工艺能力及内核控制系统智能化水平。根据实施方案中的指标要求和实测结果,专家组认为所研制的“航空发动机涡轮叶片复杂异型孔激光加工系统”技术指标均达到或优于实施方案规定,圆满完成了研制任务,意义重大,同意通过技术验收。

紧扣市场需求研发低成本高效率金属制造技术

团队建立了异型冷却孔3D模型,进行了直圆孔、经典的前倾和/或侧倾异型孔、复杂异型孔等多种不同孔型射流气膜冷却性能仿真研究。仿真结果显示优化后的复杂异型孔相对直圆孔优势非常明显,冷却效率提高一倍,保护面积扩大10倍以上。

航空发动机对国家安全和国民经济意义重大,航空发动机的一大性能指标是涡轮前工作温度,其提升取决于高温材料、热障涂层和气膜冷却技术的全面进步,其中先进气膜冷却技术对温度提升量的贡献约占2/3。上世纪80年代中期,美国率先使用了复杂异型孔气膜冷却技术,涡轮叶片等热端部件的等效冷却效率从0.3提高到了0.5以上,并在继续进步中。我国则由于自主加工母机的空缺和加工工艺的落后,长期未能突破复杂异型孔加工技术,先进冷却结构设计无法验证,叶片冷却效率迄今与西方国家存在较大代差。冷却技术滞后,会间接导致发动机可靠性和总体性能的落后。因此,我国亟需突破复杂异型孔加工的自主工业母机和相关工艺技术。

当前金属3D打印技术多采用激光或电子束等高能束流为加热源,其能量密度高且能够极其细微地聚焦,可实现高熔点金属的快速精密成型。然而以高能束流为热源的打印装备复杂且价格高昂,目前仅适用于航空航天、医疗等高附加值应用领域。同时,金属3D打印所需的粉体材料种类有限且价格昂贵,也是其工艺成本居高不下的主要原因。为了满足航空、医疗、汽车、模具等工业领域金属件高效率低成本快速制造的迫切需求,亟需开展高效低成本复杂金属件增材制造技术研究。
朱强团队正致力于开发一种基于常规加热方式的合金及复合材料多相熔体直写成型技术,其核心思想在于将3D打印自由制造的优势与合金熔体的非牛顿流动特性结合起来,通过对其流变行为的控制实现直写成型。该方法工艺流程简单,仅采用传统加热方式即可满足成型过程需求,同时所使用的原材料品种多,价格低,整体工艺成本相较于激光/电子束3D打印技术显著降低。此外,该方法成型过程凝固收缩量减小,更有利于凝固过程中孔洞、微裂纹等缺陷和残余应力的控制。
目前,朱强团队针对多相合金体系建立了描述其宏观流变性的表观黏度模型,并首次将剪切时间效应引入模型当中,相关工作发表于Acta
Materialia上(Acta Mater., 2017, 124,
410)。针对流体微观流动行为建立了描述其微观流动稳定性的判据,揭示了多相流体内部流动稳定性与其颗粒体积分数及剪切条件的相关性,相关工作发表于同一期的Acta
Materialia上(Acta Mater., 2017, 124,
446)。上述研究成果是直写成型过程中金属流动控制的重要理论基础,对于模拟仿真及工艺过程优化有重要的指导作用,目前该方法主要适用于铝-硅铸造合金,朱强团队接下来将重点开展超高强铝合金,钛合金及复合材料直写成型技术研究。

团队建立起从CAD设计到CAM路径生产的能力,以及建立起单孔及群孔的流体及热力学分析平台,可以对真实工况下的气膜冷却进行温度分布、冷却效率的详细分析和优化。如此,团队具备了各种异型孔的设计优化能力,初步打通了异型孔设计、优化、加工技术的全链条。

航空发动机叶片外形扭曲、内腔复杂,要利用激光在叶片上加工出高精度复杂异型孔,存在五轴坐标联动转换、自动对焦与补偿、法向自动检测与倾角控制、CAD驱动多工位自动化加工等众多技术难点。

图片 1图1
多相铝合金熔体平均雷诺数与液相体积分数、剪切条件的关系曲线

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