隨著數字化設計與製造技術的廣泛應用, 基於CAD模型的產品研製已經成為航空製造業的主流模式. 在該模式下, 通常基於零件的CAD模型和材料毛坯, 通過去除材料或變形的方式得到與CAD模型幾何一直的零件實體. 儘管該模式對航空製造業的進步起到了巨大的推動作用, 然而若干年的工業實踐也表明這是一項十分耗時和技術難度較高的工作, 尤其是針對要求高性能, 具有複雜結構且在航空製造業中廣泛應用的鈦合金構件的研製.
針對這一現狀, 出現了一種變革性的數字化製造技術——雷射快速成形技術. 該技術打破傳統去除材料或變形的製造模式, 採用 '離散+堆積' 的增材製造思想, 由CAD模型一步完成構件的製造, 具有無需模具, 幾何形狀複雜度無限制, 加工周期短, 製造成本低, 柔性高, 綜合性能優異等顯著優勢. 該技術自20世紀90年代問世以來, 迅速成為航空大國競相優先發展的一種先進位造技術.
作為航空強國, 美國引領著這一先進位造技術的發展, 並實現了飛機鈦合金結構件雷射快速成形製造的研發和工程化應用. 目前, 雷射快速成形技術已成為美國航空航天國防武器裝備大型鈦合金結構件的核心製造技術之一.
在F/A-18E, F22和F35等先進戰機上, 大量鈦合金, 不鏽鋼等材料的薄壁結構件, 複雜加筋件和空腔結構件等均採用該技術製造. 北京航天航天大學王華明教授的研究團隊突破了鈦合金, 超高強度鋼等材料的大型複雜構件雷射快速成形技術, 並已成功開展工程化應用.
王教授的團隊憑藉 '3D雷射快速成形技術' 獲國家技術發明一等獎. 西北工業大學黃衛東教授的研究團隊針對雷射快速成形技術的相關理論, 技術及應用方面開展了大量的研究工作. 目前, 雷射快速成形技術已經能夠製造主承力航空構件, 製造的最大零件的投影面積已達12m2, 並且材料利用率在70%以上.
雷射快速成形技術原理, 關鍵步驟及優勢
在原理上, 雷射快速成形技術打破 '去除材料或變形' 的常規加工思想, 採用 '增材' 原理進行零件的成形. 該技術利用雷射具有能量集中, 易於控制, 並且是成本較低的工業能量的優勢, 精確調節與控制雷射光速, 實現對材料的精細堆積與加工處理, 從而快速製造高緻密複雜金屬構件.
雷射快速成形的主要過程及關鍵步驟為: 首先對零件的CAD模型進行切片處理, 將零件的網格模型按一定厚度分層離散成一系列類似計算機灰度映像的2D輪廓數據;然後基於輪廓數據生成可控制雷射運動的數控驅動程式, 從而驅動雷射自底向上逐層熔覆沉積金屬粉末;最終獲得組織緻密, 高性能的 '近淨形 '零件. 完整的雷射快速成形製造流程如圖1所示.
圖1 雷射快熟成形過程
針對雷射快速成形中的CAD模型切片問題, 劉厚才等提出了基於輪廓邊的快速求交演算法, 克服了經典演算法中的奇點問題. 馬良等人根據STL模型中三角面片的幾何資訊, 結合切片厚度, 建立分組矩陣, 通過構建三角面片之間局部的動態拓撲關係來減少三角面片的求交次數和遍曆次數.
該技術基於經典的計算機圖形學求交演算法, 通過優化三角面片的遍曆次數來完成各層映像的快速生成. 總體而言, CAD模型切片和基於輪廓數據生成驅動程式的演算法較為成熟, 而後續的雷射熔覆過程則涉及複雜的物理, 化學, 力學和冶金問題, 是制約雷射快速成形技術發展和應用的難題.
研究與應用現狀
內部組織及缺陷的形成機理
雷射快速成形過程可描述為:
◆連續輸送到雷射熔覆區的金屬粉末熔化, 即在雷射束的作用下, 基體或前一層熔覆層發生局部重熔, 並混合成合金熔體;
◆金屬熔體在熔池內流動直至熔池內的溫度趨於一致且熔體合金成分趨於均勻;
◆隨著輪廓變化, 運動熔池中的熔體非平衡快速凝固.
上述過程發生在體積小, 壽命短的液態熔池中, 是一個非常複雜的非平衡短時物理冶金過程. 雷射, 金屬粉末與熔池的交互過程如圖2所示.
圖2 雷射, 粉末熔池交互過程示意圖
陳靜等人利用高速攝影來即時觀測雷射快速成形過程中液態熔池的形成及演化過程. 張鳳英等研究了鈦合金雷射快速成形過程中缺陷的形成機制, 氣孔缺陷主要取決於粉末的松裝密度, 熔合不良與雷射的能量密度, 多道間搭接率以及Z軸單層行程有關. 由於雷射快速成形過程中的各種變化極其複雜, 構件的內部組織和內部缺陷的形成機制等關鍵問題研究困難. 北京航空航天大學和瀋陽飛機設計研究所的 '產學研' 研究團隊在這一領域取得了實質性進展, 突破了零件變形, 開裂的預防和內部質量控制等難題.
成形過程的類比與模擬
為獲得穩定, 高質量的構件, 準確把握雷射快速成形過程中的內部組織和內部缺陷的形成規律, 對成形工藝參數以及成形過程進行模擬優化逐漸得到重視.
賈文鵬等採用有限單元生死技術類比了熔池形成和自由界面形狀演化及熔覆層的沉積過程, 利用界面溫度與粉末粒子動量損失狀況來類比熔池對粒子的捕捉以及構件對粉末的反射, 並採用LAGRANGIAN粒子追蹤模型實現了對粉末顆粒的跟蹤.
馬良等基於ANSYS, 利用二次開發技術建立了雷射成形過程溫度場, 應力場的參數化有限元模型. 採用移動熱源和單元生死技術, 對雷射成形過程中的熱應力場進行了模擬, 在準確計算溫度場演化規律的基礎上, 揭示了塑性壓縮區, 塑性拉伸區, 卸載區等熱應力場的產生原因.
譚華等人針對雷射快速成形的工藝特點, 研究了基於即時監測原理的閉環控制系統, 來調整工藝參數, 以獲得高性能和高質量的構件, 並論述了監測與閉環控制系統進一步的發展方向.
雷射快速成形的應用現狀
作為一種變革性技術, 雷射快速成形技術主要針對需求量大, 複雜度高且難加工或材料去除僵極大的零件. 美國F-22飛機的兩個鈦合金接頭件, 如圖3所示, 採用雷射快速成形技術製造, 其綜合性能較傳統加工方式有了大幅度提高, 且製造成本降低了20%-40%,生產周期也縮短了80%.
圖3 F-22的雷射快速成形鈦合金件
北京航空航天大學與中航工業集團成立了中航雷射公司, 將雷射快速成形技術的研究成果產業化. 該項目在國際上首次突破了飛機鈦合金大型整體主承力結構件的雷射成型工藝, 力學性能控制, 工程化成套設備, 技術標準. 已經成功在我國多個型號飛機上開展了工程化應用. 圖4為首次公開展示的採用雷射快速成形技術製造的某型戰機的大型鈦合金零件.
經過多年的深入研究, 西北工業大學的黃衛東教授在雷射快速成形技術方面也取得了突出的成果. 圖5所示的雷射快速成形技術製造的大型鈦合金零件為某型機的主承力件.
直升機製造業中的應用分析
●動部件的快速製造
直升機旋翼升力系統主槳骰, 尾槳骰和自動傾斜器(合稱 '動部件' )的生產製造是直升機製造最核心的技術. 動部件為主承力件, 結構形式複雜, 工作環境惡劣, 疲勞強度要求高, 且材料多為TB6鈦合金和高溫合金等難加工材料. 若採用雷射快速成形技術製造, 則具有與之相當或更優異的綜合力學性能.
此外, 雷射快速成形技術先天具有的不依賴模具, 對零件幾何複雜度無限制, 生產周期短和材料利用率高等優勢, 特別適合響應動部件的設計變化. 因此, 採用雷射快速成形技術來製造直升機的動部件對提高動部件的綜合力學性能, 降低製造成本和縮短研製周期等具有重要意義.
●動部件的快速修複
直升機動部件是重要的承力部件, 承受了槳葉傳導的離心力, 揮舞彎矩, 擺振彎矩等. 因此, 動部件是直升機上最容易磨損的部件. 動部件成本高昂, 一旦出現瑕疵或缺損, 只能整體更換, 可能造成數十萬, 甚至上百萬的損失.
雷射快速成形技術是逐點增材製造的, 故只需把缺損零件看做特殊的基體, 對缺損部位進行幾何重建, 在重建幾何上進行切片分層, 最後利用雷射快速成形技術即可快速修複零件. 由於雷射能量在時空分布和功率密度上的可控性遠遠高於其他工業能源, 因此可以最大限度減少修複加熱過程對被修複零件的不利影響.
此外, 由於雷射快速成形過程可以同步控製成形合金成分和組織, 因而可以通過控制修複區成分, 組織使修複區與零件本體的性能保持一致, 從而恢複構件的固有屬性. 能夠挽回巨大的經濟和時間損失, 還能提高資源的利用率, 符合低成本, 可持續發展戰略.
結論與展望
作為工業之花的航空製造業的重要組成部分, 直升機產業正經曆飛速的變革. 要想做大做強該產業, 沒有一勞永逸的解決方案. 只有不斷加強研究和發展, 才能順應發展潮流, 立於強者之林. 雷射快速成形技術所帶來的巨大技術優勢必將引領先進位造技術的發展. 直升機動部件的製造技術是直升機研製公司製造能力的體現, 從成本, 效率, 質量而言, 採用雷射快速成形技術來進行動部件的製造和修複具有巨大技術優勢和經濟效益, 可作為未來動部件製造技術的優先發展方向.