前沿科学技术创新研究院

科学研究

重大装备超大关键构件增材制造科研成果研究进展

重大装备超大关键构件增材制造研究院瞄准航空、航天、船舶、电力、石化等工业领域重大装备发展战略需求及高性能材料与先进制造技术学科国际前沿发展方向,在钛合金、超高强度钢、高温合金、高强铝合金等高性能大型复杂构件增材制造技术研究与工程化应用领域开展了大量研究并取得了卓有成效的成果。在国际上首次全面突破钛合金、超高强度钢等高性能难加工金属大型整体主承力关键构件激光增材制造工艺、成套装备、专用材料及应用关键技术,自主建立了完整技术标准体系,激光增材制造钛合金、超高强度钢大型整体关键构件,在重大装备研制生产中作为多种关键结构的唯一制造方案,为保障国家重点装备的顺利进展发挥了关键作用,同时也使我国成为迄今世界上唯一掌握钛合金、超高强度钢大型整体关键主承力构件激光增材制造技术并成功实现装机工程应用的国家。

研究院坚持“需求牵引”和“技术创新驱动”,自主建立钛合金、超高强度钢等高性能难加工金属大型关键主承力构件激光增材制造“工艺-装备-质量(性能)-标准”整套技术体系,取得了一系列原创性技术进展。

进展一:揭示凝固晶粒、内部缺陷和显微结构演化机制,建立“内部质量主动控制”方法,解决构件“力学性能控制”瓶颈问题。大型钛合金构件激光增材制造过程冶金和热物理过程十分复杂,零件长期经历高能激光束的周期性、剧烈、非稳态、循环加热和冷却,导致其凝固经历形态及显微组织复杂多变,控制难度极大,最终决定着构件力学性能及性能均匀性,因此,以“凝固晶粒”、“内部缺陷”及“显微组织”为核心的“质量性能”控制,被公认是长期制约大型钛合金关键构件激光增材制造发展和应用的两大技术“瓶颈”之一。研究院团队提出了移动熔池这一基本单元凝固的3种固有形核生长机制:熔池底部高温度梯度驱动下垂直于液固界面的“外延生长”、熔池表面气液界面及粉末喷射入熔池等形成“表面形核”、合金熔体中半熔化/未熔粉末异质形核等“内部形核”,进一步建立构件凝固晶粒形态选择模型和主动控制技术,揭示了“已沉积固态基底表面难熔”的内部缺陷形成根本原因,建立构件内部缺陷控制和无损检测方法,揭示了激光增材制造钛合金“超细网篮显微组织”形成演化机制,发现后续热处理中钛合金的“特种双态组织”新形态,发展出高强高韧高损伤容限钛合金技术新途径。上述研究结果,在国际上首次解决了激光增材制造大型钛合金关键构件质量性能低和难以用作关键主承力结构的制约性难题,是团队取得的国际领先的整套成果的关键。不同晶粒形貌TC11钛合金形成机理示意图见图1。

图1 不同晶粒形貌TC11钛合金形成机理示意图

该研究成果应用于镍基高温合金激光增材制造,发展出微细柱晶高温合金激光约束熔化沉积增材制造技术新途径,成功制备无裂纹、低偏析、枝晶细小且具有良好定向外延生长组织的发动机叶片试样。镍基高温合金激光增材制造工艺优化及最终获得的定向凝固构件见图2。

图2 镍基高温合金激光增材制造工艺优化及最终获得的定向凝固构件

同时有关激光增材制造过程“微热处理”行为及其后续固态相变组织调控研究成果也应用于超高强度钢等激光增材制造,发现增材制造超高强度钢高温均匀化后大尺寸碳化物的溶解促进了合金微孔形核及聚集抗力提高,并依据钢中晶粒的演化行为和碳化物的析出特点,建立显微组织-力学性能关联规律,优化热处理工艺制度,使合金强度、塑性、韧性和抗疲劳性能均得到明显提升。激光增材制造A100超高强度钢热处理组织及性能特点见图3.

图3增材制造A100超高强度钢热处理组织及性能特点

进展二:揭示内应力形成演化机理,建立整套零件“变形开裂预防”方法,初步解决了“难以成形大型构件”的问题。变形开裂预防是国际上长期制约大型金属构件激光增材制造技术发展和应用的另一大技术瓶颈难题。研究院团队研究建立大型金属构件激光逐层熔化沉积过程热应力、强约束凝固收缩应力和固态相变组织应力的形成机理、物理模型与演化规律,将数值仿真与试验验证相结合,建立专用工艺软件及过程控制技术,探索出一条“力学性能”控制方法。

进展三:提出激光增材制造装备系统新原理,初步解决“大型工程成套装备”难题。研究院团队提出“外置式”(机械系统均放置于成形真空腔外)的装备新思路,发展出多路沉积“桥式”(机械运动轴全悬挂、可扩展)大型激光增材制造装备新系统(见图4)、成形腔柔性高效抽排真空新方法,突破多路沉积协调控制关键技术,历经7代系列化发展,最新一代装备结构紧凑、运行高效、造价低廉、可扩展新型大型构件激光增材制造工程化成套装备的制造能力达7m×5m×3m、钛合金沉积效率达2kg/h。

图4多路沉积“桥式”增材制造装备

进展四:建立整套应用技术标准体系,解决了工程应用“技术标准”问题。研究院团队将理论研究、试验验证与工程实践结合,建立了从原材料、工艺、装备到产品的成套大型金属构件激光增材制造技术标准体系,制定相关工艺规范100余项。其中,我国首套金属增材制造领域的航空行业标准5项,由国家国防科工局于2018年发布实施(见表1)。

表1增材制造航空行业标准

进展五:“产学研”紧密合作,在重大装备制造业领域进一步扩大成果推广应用和转化。研究院近年来圆满保障了大型运输机、舰载机、大型运载火箭等国家重大装备研制生产任务,并不断在高性能金属大型关键承力构件激光增材制造“材料-结构-制造”一体化融合中创新发展:将某大型承力框梁结构中10大锻件、180余个螺栓的机械连接结构优化为一个高可靠整体大部件;将某大型复杂关键承力接头原70多个零件机械结构优化为1个轻量、高可靠整体结构;利用激光增材制造给某大型运载火箭大型关键主承力结构带来300kg以上的显著减重效果。