激光沉积制造技术：沈航增材制造的探索与实践

作为增材制造技术一种典型工艺，激光沉积制造技术是增材制造技术的一种。 

　　航空、航天、电力、石化、船舶等现代工业高端装备正向大型化、高参数、极端恶劣条件下高可靠、长寿命服役的方向快速发展，致使其钛合金、高温合金等关键金属构件尺寸越来越大、结构日益复杂、性能要求日益提高，对制造技术及装备的要求越来越高、挑战日益严峻。采用铸锭冶金+塑性成形等传统制造技术生产大型、整体、高性能金属构件，不仅需要万吨级以上的重型锻造装备及大型锻造模具，技术难度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期长、成本高。作为增材制造技术一种典型工艺，激光沉积制造技术是增材制造技术的一种，以合金粉末为原料，以粉末同步送进为特征，通过激光熔化/快速凝固逐层沉积制造，由零件CAD模型一步完成全致密、高性能金属结构件的“近净成形制造”。因其独特技术优势，被誉为是一种“变革性”“控形/控性”一体化制造技术，在航空、航天等重大装备制造中具有广阔发展前景。该技术材料利用率高，可实现力学性能与锻件相当的复杂高性能构件制造，且其同步材料送进特征，还可实现梯度结构制造，可用于损伤构件的高性能修复。 


　　目前增材制造在向大尺寸构件制造方向发展，如飞机上的大尺寸钛合金框梁结构件，随着科技的进步，构件尺寸会越来越大，大型增材制造装备需要大型机床，带来巨大制造风险；超长距离的粉末输送稳定性难以保证，此外通过单纯提高成形舱尺寸来满足构件的尺寸规格是不经济也是不现实的。增材制造过程中，不仅要考虑制件的应力和变形预防问题，还要兼顾其成形精度和效率，而增材制造在修复航空发动机机匣等大型薄壁(修复部位最薄处约2mm)零件时，不仅要考虑应力集中、零件变形，还要考虑其结合部位性能弱化问题。此外，当前钛合金、高温合金激光增材制造基本都是在刚性惰性气体保护仓中进行，此法不能适应修复零件尺寸变化范围大的特点，不利于零件的现场修复，降低了设备的利用率，增加了生产成本，因此对现有装备也提出了新要求。 


　　针对上述需求，沈阳航空航天大学与中航工业沈阳所、沈飞公司及中国航发黎明、东安公司深入开展合作，长期致力于激光沉积制造技术研究工作，“十二五”期间得到国家重点研发计划(973)、国家自然科学基金、国家重大科技专项等课题支持，突破钛合金、高温合金、铝合金等大型制件高效高精度制造、减小应力和变形、实现柔性氛围防护、保证增材组织一致性和制造结合区质量等一系统重大难题，已授权激光沉积制造相关发明专利9项，获国防科技进步奖二等奖2项。 


　　研制系列化激光沉积制造成套装备：沈航全面突破了激光沉积制造工程化装备的设计、制造及系统集成等技术。提出特种能量场融合激光沉积制造技术，将超声场、电磁场与高能激光有机耦合，提高增材制造效率的同时，减小制造过程残余应力和冶金缺陷，提高制件精度、调控制组织提升力学性能。针对大型整体结高质高效制造需求，创新性的提出动态惰性气体保护方法，突破设备限制，可成形超大尺寸构件、进行外场制造。 


　　开发低应力小变形激光增材制造工艺：激光沉积过程中剧烈的、循环加热/冷却条件下，在零件内产生分布及演化极其复杂的应力，导致零件严重翘曲变形甚至开裂，是制约增材制造的首要技术瓶颈。沈航提出特种能量场融合增材制造技术及基于红外分区的激光沉积制造动态扫描工艺方法，通过实时反馈沉积层面温度分布，运动规划激光扫描轨迹，显著减小沉积过程温度梯度，降低热应力、约束应力和晶格储存能，有效地控制沉积过程零件的变形和开裂，提升工艺稳定性，拓宽工艺窗口。由沈航研制的激光沉积制造成套装备已成功应用于科研生产。 


　　提出了在位局部热处理的激光增材制造/修复制件的应力消减和组织调整新方法，研制了基于感应加热器、红外热像仪及专用夹具的局部热处理系统，实现了大型制件在位局部热处理；显著降低了残余应力、减小工件变形，保证尺寸精度、形状精度和位置精度；同时优化了组织，提高了力学性能。 


　　建立全套技术标准和规范：建立增材制造新技术在航空装备应用的全流程性能考核和质量保障技术体系。完成了对增材制造零件试片级基本力学性能考核、模拟件的中试考核及全尺寸零件的综合性能考核，性能指标全部达到或超过锻造钛合金。建立从试片级试验到全尺寸件综合性能考核、从工艺到装机的全套技术标准和规范，为全行业应用打下技术基础。 


　　研究成果已在承力结构件制造、运维方面成功应用，保障了批产和科研进度，取得了显著的经济和社会效益。激光增材制造法制备的零件与采用传统“锻造+机加”方法相比，结构减重达25%以上，应力水平降低35%；生产周期缩短50%，材料利用率达到70%，生产成本降低30%。梁构件修复区的强度指标与基体相当；表面及外形尺寸符合设计要求、内部质量合格；与传统氩弧焊修复方法相比，工件变形量减小70%；修复时间缩短90%；残余应力降低50%以上；同更换新件相比，激光沉积修复损伤结构件的生产周期缩短90%；修复成本费用平均仅为生产新件费用的20%。