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增材制造技术可有效弥补瓶颈,激光增材制造技术有5大优势

http://www.b2b.hc360.com 中国金属加工网 信息来源:Author发布时间:2020年05月25日浏览:204

  随着增材制造技术的不断进步与成熟,其应用领域已从一般的原型制造逐渐拓展到航空航天、医疗器械、轨道交通等高端装备制造行业。对于轨道交通装备制造而言,由于传统制造工艺瓶颈、新车试制及快速维保等制造需求所带来市场达上百亿元,而增材制造技术正好可充分发挥其优势,助力轨交装备零部件制造提质升级。

  在由国家先进轨道交通装备创新中心、寻材问料®、中国先进轨道交通装备创新联盟、《电力机车和城轨车辆》期刊、智慧轨道交通产业观察共同举办的“轨道交通装备产业线上直播大讲堂”上,中车株洲电力机车有限公司高级工程师、国家先进轨道交通装备创新中心技术专家马明明博士介绍了增材制造技术及其在轨道交通行业的应用情况。

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  增材制造俗称3D打印,是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体零件的新型制造技术。其特点是数字化、智能化制造;无模具制造,工艺流程简单;点、线、面、体的制造模式,控制方便,性能稳定;适合材料广泛,以“粉”“丝”两种形式增加材料,以高能束熔化材料;常见金属采用增材制造性能超过锻造水平。在制造行业,增材制造是传统制造工艺的有益补充。

  增材制造技术始于从上世纪八十年代,从最初的热固化成型技术、紫外光固化技术,逐渐演变到可适用于高性能金属零部件成形的高能束成形技术。该技术通过把金属材料作为一种成形材料,通过激光、电子束、电弧等高能束得到高性能金属零部件增材制造。马明明博士表示,由于激光能量的密度高、柔性化程度比较高,所以它在增材制造领域所应用的范围比较广。

  据他介绍,金属零部件激光增材制造技术有5大优势。

  一是可成形零件的结构复杂、提升零部件的设计空间。通过增材制造技术,可以成形出传统方法无法实现的结构。通过拓扑优化设计,可以实现零件的减重、节约材料。同样的性能和功能,所需要的工艺更少。

  二是可以一体化成型,减少零件数量。零部件数量可以由多件减少至1件,成本降低约30%,重量减少20%以上,部件寿命提升5倍以上。

  三是制造小批量、多品种产品。可满足产品定制化需求,小批量零部件成形时无需开模,节省大量的时间和模具费用。

  四是材料利用率高、减少材料浪费。产品一次成型,材料利用率达到90%以上。

  五是力学性能优异。在增材制造过程中,由于熔池冷却速率高、组织结构可控性好以及使用专用粉末材料等原因,因此可以达到静强度提升、疲劳强度提升和表面硬度提升等效果,提升零件的性能。

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  突破轨交装备制造瓶颈的新工艺

  美国通电气公司是增材制造应用探索的先行者,其增材制造产业链从粉末、设备到工程化应用,都走在世界前列。马明明分析了其增材制造的应用案例,以燃料喷嘴为例,传统的燃料喷嘴是用二十多个零件所组成的,而增材制造技术只用了一个零件。得到的效果是成本降低30%,重量降低25%,使用寿命提升5倍,库存降低95%。

  这一技术同样启发了其他的行业。

  马明明表示,轨道交通车辆零部件的制造需要提质升级。目前轨交装备行业存在惯性工艺瓶颈需要突破、定制化车辆增多要求车辆快速试制、小批量的维修保护需要快速且低成本等需求。而上述问题的解决很难再依赖于传统制造工艺,引进新工艺,或者新工艺与传统工艺相结合是破解上述难题的最有效方法。

  他分析了激光增材制造在轨道交通车辆的应用案例。如某接头7系铝合金焊缝裂纹解决方案,传统的焊接劣势在于会产生疲劳裂纹、应力腐蚀裂纹、应力集中、焊接残余应力、焊接气孔缺陷、组织不均匀等问题。此外,直角过渡的时候焊缝数量多,需要多个零件组成。

  经过设计师进行结构优化设计,直角过渡变成了弯角过渡,但这需要一体化成型技术实现,也就是需要采用增材制造工艺。采用增材制造技术成形,在结构上可以优化,减少应力集中,材料设计上避免晶间裂纹等等,使其更加符合空气动力学、提升寿命及提升质量稳定性。

  他还对导向杆零件、连接座等零部件的制造瓶颈解决方案以及产品试制、维保检修等案例进行了分析。

  他总结道,激光增材制造在轨道交通装备行业应用的优势在于:单件需求量高、试制件与小批量件较多、零件验证时间短、性能要求不苛刻。

  而不足之处在于,零件复杂度较低、对增材制造的刚需不高、对零件成本较为注重、普及程度较慢和较低。

  “相关行业的人正在寻找可应用的点,将增材制造技术引入到轨交装备行业里面,我们也看到了可喜的收获。”

  近10年兴起和发展的增材制造(3D打印)技术是先进信息技术、制造技术与新材料技术等多学科融合发展的一种新兴工业制造技术。被认为是“21世纪十大颠覆性技术之一”和“将要改变世界的技术”,并将引领“第三次工业革命”[1,2]。选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术也称为激光粉床熔化(laser powder bed fusion,LPBF)技术,是一种典型的金属增材制造方法,具有成型致密度高、力学性能优异、可制备复杂零件和节省材料等诸多传统加工方式无法媲美的优势[3]。

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  马氏体时效钢(maraging steel,MS)是一种先进的高强钢,其经过455~510℃时效热处理后,会在具有高密度位错、低硬度(28~30 HRC)、良好韧性和延展性的马氏体基体上,形成均匀分布的金属间化合物,对马氏体基体中高密度位错的运动产生钉扎效应,达到第二相强化[4]。因MS具有超高强度(屈服强度通常为1500~2500 MPa,最高可达到3450 MPa)、良好的韧性和延展性、优良的焊接加工性能和热处理尺寸稳定性,广泛应用于航空、航天、原子能和高性能工模具等前沿和尖端领域。与其它金属材料相比,MS更适合激光增材制造,主要因为:(1)SLM沉积过程中的热过程为MS在激光成型过程中原位析出强化提供了可能;(2)SLM成型过程中冷却速率高达106~108 K/s,易获得细晶马氏体组织;(3)昂贵的MS往往用于小批量、结构复杂程度高和力学性能优异的零部件,SLM个性化定制和自由设计与制造的优势,能够满足应用需求,拓展MS工程应用。本文根据国内外研究报道,系统地综述了SLM成型马氏体时效钢参数和性能优化、成型各向异性、时效机理,及其梯度材料研究。最后介绍了SLM制备的MS的具体应用并提出了今后的研究展望。

  1选区激光熔化技术概述

  增材制造(additive manufacturing),是一种采用材料逐渐累加的方法制造三维实体的新技术。美国材料试验协会标准(ASTM F42)将增材制造定义为:与传统的减材制造相比较,增材制造是通过层层堆积的方式将材料按照3D模型数据,成型三维实体的制造技术。增材制造同时也被称为快速原型(rapid prototyping)、快速制造(rapid manufacturing)、实体自由成型(solid free-form fabrication)、3D打印(3D printing)等。它是先进信息技术、制造技术与新材料技术多学科融合发展的一种新兴工业制造技术[6],具有诸多传统制造技术无法媲美的优点,例如自由设计和制造、功能集成优势、个性化定制和快速制造、材料和资源利用率高、无污染和环境友好等[7,8]。由于上述诸多优势,近年来,增材制造在学术界和商业界都引起了高度重视和广泛关注。随着技术的发展和成熟,增材制造技术已开始应用于航空航天、交通运输、工业工程、生物医学和食品供应链等领域[9,10,11,12]。根据《Wohlers Report 2018》报道,2017年增材制造全球市场总额达到64亿欧元,年增长率达到21%,较上一年度的增长率(17%)有所提高[13]。增材制造也是我国《智能制造2025》战略重要发展方向。

  2 SLM成型马氏体时效钢的优势

  马氏体时效钢是一种先进的超低碳或无碳高强度钢,兼具超高强度和良好的韧性[31,32]。20世纪60年代初INCO公司Decker等发现,在Fe-Ni马氏体合金中同时加入Co、Mo元素可使马氏体热处理后产生明显的时效强化效果,并通过调整Co、Mo、Ti含量得到屈服强度(YS)分别达到1400、1700和1900 MPa的18Ni200、18Ni250和18Ni300马氏体时效钢。随后,18Ni200和18Ni250钢被首次应用于火箭发动机壳体。20世纪60年代后期INCO公司和Vasco公司又研制出了YS达到2400 MPa的18Ni350钢[33,34]。

  MS的基体是一种高合金元素、低C含量的Fe-Ni马氏体。该马氏体基体通常呈板条状,含有高密度的位错,硬度仅为28~30 HRC,具有良好的韧性和延展性[4]。它通过455~510℃时效热处理后,形成η-Ni3Ti[35]、Fe2Mo[31]、NiAl[32]、Ni3(Al,Ti,Mo)[16,36]、Ni(Al,Fe)[37]等金属间化合物,均匀分布于马氏体基体中,对马氏体基体中的位错产生钉扎,形成第二相析出强化。根据合金元素(主要是Ni、Co、Mo和少量Ti)含量的改变,其时效处理后的YS通常达到1500~2500 MPa,最高可达到3450 MPa。MS因兼具超高强度和良好的韧性,以及优良的焊接加工性能和热处理尺寸稳定性,广泛应用于原子能、航空、航天和高性能工模具等尖端领域[4,38]。

  3 SLM成型马氏体时效钢研究现状

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  总体而言,SLM成型马氏体时效钢工艺优化包括激光加工工艺优化和热处理工艺优化。其中,可优化激光加工工艺包括:激光工艺参数(图1所示P、vs、h和t等)、基板预热温度和激光重熔处理等,目的是获得高致密度、低孔隙率的成型件。热处理(heat treatment,HT)工艺优化则是对SLM原始成型(as-fabricated,AF)试样采用时效处理(age treatment,AT)或固溶时效处理(solution-age treatment,SAT),以对试样的组织、织构和力学性能进行调控和优化。

  国内对SLM成型MS材料的研究报道[16,43,44,45,46,47,48,49,50]相对较晚。根据公开发表的文献资料显示,2014年初,上海交通大学曹润辰[44]开始报道SLM制备MS材料。他们采用改装的Phenix PM250设备,进行了激光成型工艺参数的优化,并制备了薄壁零件;但没有报道试样的组织和力学性能。与此同时,2014年重庆大学康凯[45]也报道了采用EOS M280设备成型18Ni300粉末,其采用优化的工艺参数(表1[16,38,45,50,51,52,53,54,55])制备了致密度大于99%、抗拉强度(UTS)为1180 MPa的试样;且试样经840℃+490℃、4 h的SAT后UTS提高到1903 MPa。2016年上海材料研究所周隐玉等[46]采用EOS M280设备成型18Ni300粉末,成型件相对密度达99.8%,经过SAT后,YS从901 MPa增加到1895 MPa。

  此外,华南理工大学谭超林等[16,43,47,48]对SLM成型18Ni300参数优化后(表1[16,38,45,50,51,52,53,54,55]),制备了致密度达99.9%的MS。通过差热(DSC)分析,确定了AT和SAT 2种热处理工艺,并对AF和热处理试样的组织结构和力学性能进行了详细表征和分析,力学性能见表2[4,16,38,46,49,51,52,54,56,57,58,59],AF态试样硬度和拉伸性能完全达到标准锻件水平;AT态UTS达到2014 MPa,但延伸率(El)仅为3.3%。经SAT后,不仅提高了强度,El也达到了5.6%,各项力学性能达到热处理态的锻件水平。因此,SAT是更理想的热处理工艺,能兼顾材料的强韧性。同时,该校白玉超等[49,50]也在SLM成型MS做了许多研究工作。首先采用优化工艺参数并制备致密度达到99.3%的零件,然后通过光斑补偿和设计补偿对成型件的精度进行了优化,获得X、Y方向尺寸偏差分别为87和129μm以内的成型件。接着,研究了薄壁、间隙、圆柱、方孔和倾斜角等典型几何特征的极限尺寸成型能力。此外,还研究了热处理工艺对拉伸和冲击性能的影响,其选用的固溶处理温度为780~960℃(间隔60℃),AT温度为400~560℃(间隔40℃),并确定了最佳固溶温度为900℃和最佳AT工艺为520℃、6 h。AT试样的强度和硬度比AF态分别提高约84%和69%,但延伸率和冲击韧性明显下降。

  国外对SLM成型马氏体时效钢的研究相对较早。比利时鲁汶大学Yasa等[51]和Kempen等[56]在2010年开始对SLM成型18Ni300钢进行了研究,分析了不同层厚对成型试样粗糙度、相对密度和硬度的影响,发现较小的层厚(30μm)更有利于获得光洁的表面和更高的相对密度和硬度;同时优化了工艺参数,发现与设备推荐参数相比,采用优化的工艺参数成型密度更高。并且,发现激光重熔能够略微提高试样密度(由99.15%增至99.48%)和硬度(由396 HV增至414 HV);优化了时效处理工艺,并对原始成型件和热处理试样的力学性能和硬度进行了对比分析,具体结果见表2[4,16,38,46,49,51,52,54,56,57,58,59]。试样在热处理前后的硬度和强度均能达到标准锻件水平,但是其热处理后的延伸率和冲击性能明显低于锻件水平。2015年,意大利巴里理工大学Casalino等[52]采用实验和数据统计的方式,对SLM成型MS工艺参数进行了优化;发现激光功率大于90 W、扫描速率小于200 mm/s时可以获得较高的密度(>99%),并且当使用最优工艺时(表1[16,38,45,50,51,52,53,54,55]),相对密度高达99.7%。最佳工艺所制备试样的力学性能见表2[4,16,38,46,49,51,52,54,56,57,58,59],基本达到锻件水平。

  2016年南非斯坦陵布什大学Becker和Dimitrov[38]研究了vs和h对成型致密度的影响,发现h对致密度的影响小于vs,优化后的相对密度达到99.5%。经过双重扫描的零件密度略微提高,并且残余应力从720 MPa降至455 MPa,但拉伸强度和硬度降低;后续固溶处理能够大幅度降低残余应力(至102 MPa)。此外,研究发现基板中心区的试样相对密度整体略微低于边缘区域。力学性能表征发现拉伸强度和硬度达到标准锻件水平(表2[4,16,38,46,49,51,52,54,56,57,58,59]),疲劳裂纹生长速率也与锻件水平相当。类似地,米兰理工大学Demir等[53]在2017年也发现激光重熔处理能够对密度提高起一定作用,但基板预热处理(170℃)并没降低孔隙率,反而增大成型尺寸偏差;且由于预热基板有原位退火处理的作用,导致试样硬度降低;其采用如表1[16,38,45,50,51,52,53,54,55]中的工艺参数,获得成型件致密度约为99%。2018年,Yin等[57]也研究了不同时效温度和时间对SLM成型件力学性能的影响,并发现最佳时效工艺为490℃、3 h,低于390℃和高于590℃的时效温度分别会导致欠时效和过时效,过时效会导致析出相的分解和奥氏体含量的增加,进而导致强度的降低。Casati等[58]也研究了不同热处理工艺对力学性能的影响(表2[4,16,38,46,49,51,52,54,56,57,58,59]),有趣的是,在较高温度(600℃)时效10 min也能产生明显的时效强化效果,YS达1557 MPa,但试样拉伸强度的波动性较大,且El值较低。


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