3D打印技術(shù)在航空鋁合金薄壁零件上的應用

引言

3D打印技術(shù)(亦稱"增材制造技術(shù)")作為一項前瞻性和國家戰(zhàn)略性技術(shù),其工程應用性很強,領域跨度很大,廣泛應用于汽車、模具、醫(yī)療及航空航天等領域。在《中國制造2025》規(guī)劃綱要中,3D打印(增材制造)作為代表性的新興技術(shù)占有重要位置,體現(xiàn)了我國對3D打印的重視程度。在國家政策的推動下,部分高校和研究所重點開展3D打印設備、材料和工藝等方面的研究和應用。中國航發(fā)北京航空材料研究院重點開展3D打印材料制備技術(shù)、3D打印成型工藝和3D打印設備設計與集成技術(shù)等七類關(guān)鍵技術(shù)應用,涉及設備、材料、工藝和質(zhì)量評價全流程的關(guān)鍵技術(shù)研究,對推動3D打印產(chǎn)品實現(xiàn)工程化應用具有重要意義。北京航空航天大學王華明院士團隊重點開展大型金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造技術(shù)研究,依托"產(chǎn)學研"合作,開展增材制造控形與控性研究,突破了鈦合金、超高強度鋼等大型關(guān)鍵構(gòu)件激光熔化沉積增材制造工藝、裝備、標準和應用關(guān)鍵技術(shù)。此外,華南理工大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、航空工業(yè)625所和北京有色金屬研究總院等單位均在金屬零件增材制造技術(shù)方面開展工藝和機理研究,取得了國際先進的研究成果。

本文以航空鋁合金薄壁零件為研究對象,探索增材制造技術(shù)在航空鋁合金薄壁類零件上應用的可能。

1設備及方法

1.1實驗設備

綜合考慮了零件材料、尺寸、表面粗糙度和質(zhì)量要求,采用選區(qū)激光熔化成型技術(shù),實現(xiàn)快速制造,設備采用500WIPG光纖激光器,最大成型尺寸為250mmx250mmx400mm。零件成型過程中采用氬氣全過程保護,保證材料在成型過程中不被氧化。

1.2實驗零件及材料

實驗選取典型航空薄壁零件,該零件最小壁厚2.5mm,外形尺寸175mmx122.5mm×216.2mm,其材料為Alsi10Mg,實驗所用Alsi10Mg粉末采用氣霧化法制備。零件三維模型如圖1所示。

1.3工藝流程

3D打印整個過程包括粉末選擇和檢測、零件打印、零件后處理和檢測等環(huán)節(jié)。對照3D打印標準工藝流程,制定了該典型航空薄壁零件3D打印工藝流程。工藝過程分為前期準備、零件打印、熱處理、線切割、去支撐和檢測六個階段。

2檢測內(nèi)容與合格標準

對實驗獲得的航空薄壁零件及隨爐試樣進行尺寸檢測、力學性能檢測、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量檢測。隨爐試樣采用與零件同批粉末、同一型號設備、同一工藝參數(shù)進行激光選區(qū)熔化成型,并采用同一熱處理制度進行處理。隨爐試樣的取向分為縱向、橫向兩種,xY為橫向(H),Z為縱向(s)。

2.1力學性能合格標準

對隨爐試棒進行力學性能檢測,結(jié)果應滿足表1要求。

2.2表面質(zhì)量合格標準

制件應100%進行目視檢查及熒光滲透檢驗,熒光檢驗按HB/Z61進行,表面質(zhì)量要求為:

(1)零件表面應處理干凈,不應有飛邊、毛刺:

(2)零件非加工表面不允許有表面污染,機械加工表面允許存在不超過機械加工余量范圍、經(jīng)機械加工可以完全去除的表面污染:

(3)零件表面不允許有裂紋、未熔合及穿透性缺陷:

(4)待機加表面允許存在經(jīng)機加可以完全去除的裂紋及其他缺陷。

2.3內(nèi)部質(zhì)量合格標準

按HB/Z60對零件進行x射線檢測,不允許有縮孔及線性缺陷,單個氣孔及夾雜≤2.0mm,間距≥20mm且不多于2個。

2.4尺寸檢測合格標準

零件尺寸須滿足設計圖紙要求,尺寸公差按HB6103一2004CT7執(zhí)行。

3實驗結(jié)果與分析

3.1力學性能

對隨爐試棒進行力學性能檢測,檢測內(nèi)容包括抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率和硬度,拉伸性能檢測結(jié)果如表2所示,硬度檢測結(jié)果如表3所示。由檢測結(jié)果可知:橫向和縱向隨爐試棒抗拉強度、伸長率和硬度檢測結(jié)果均滿足零件設計圖紙要求,且橫向試棒抗拉強度高于縱向。

3.2表面質(zhì)量

按GJB2367A一2005《滲透檢驗》標準對零件進行表面質(zhì)量檢測,未發(fā)現(xiàn)超標準缺陷,零件表面質(zhì)量符合評定標準要求。

3.3內(nèi)部質(zhì)量

按HB/Z60一1996《X射線照相檢驗》對零件進行內(nèi)部質(zhì)量檢測,未發(fā)現(xiàn)超標準缺陷,零件內(nèi)部質(zhì)量符合要求。

3.4零件尺寸檢測

運用三維測量儀對零件進行三維尺寸檢測,將檢測結(jié)果與零件三維模型進行對比分析,分析結(jié)果如圖2所示。按HB6103一2004CT7,零件最小尺寸公差為0.74mm,由圖2可知,該零件尺寸公差符合要求。

4結(jié)語

本文以航空鋁合金薄壁零件為對象進行3D打印快速成型,對成型零件進行了力學性能、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和尺寸等檢測,結(jié)果表明3D打印航空鋁合金薄壁零件力學性能、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和尺寸均符合設計要求,力學性能高于鑄件性能,且具有無需開模、制造周期短等優(yōu)點。