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激光直接沉积技术在铝合金构件上的应用瓶颈

日期: 2017-04-28
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随着航空航天技术的不断发展,对飞行器的性能提出了越来越高的要求。采用高性能的铝合金结构件尤其是大型整体铝合金主承力结构件仍然是减轻飞行器结构重量,提高运载能力和飞行速度的重要技术途径之一。因此高性能铝合金的材料制备和零件制造新工艺、新方法始终是研究的热点。激光直接沉积(LMD)具有材料利用率高、产品开发周期短、适合个性化零件生产等技术优势,该技术为大型整体高性能铝合金关键金属零件的低成本、短周期、近净成形制造提供新的技术途径。国内外曾开展了激光快速成形铝合金的工艺、组织演变、力学性能等研究,但主要集中在激光选区熔化(SLM)成形工艺研究,对激光直接沉积(同轴送粉激光熔化沉积)鲜有报道。
究其原因,主要有以下几点关键技术难题未能有效解决:
(1) 与钢和钛合金相比,铝合金的导热率更高,而铝本身激光吸收率低、反射激光率高,在铝合金激光直接沉积过程中,会有更多的激光能量通过基体的热传导损失掉,降低铝合金零件成形效率;
(2) 钢的热膨胀系数是铝合金的一半,铝合金激光直接沉积过程中的变形和应力都较大,需要采取零件变形开裂预防措施;
(3) 铝合金在激光直接沉积过程中极易与氧发生反应生成熔点高(2050℃)、相组织稳定、密度相对较高、难以去除的Al2O3。Al2O3氧化层会在后续沉积过程中形成夹渣、未熔合等缺陷;
(4) 铝合金密度低,激光沉积过程中易受到激光轰击产生粉尘飞溅,一方面使制品产生缺陷,另一方面造成成形腔室粉尘飞扬,影响打印环境;
(5) 铝合金在熔融的状态下,氢在铝合金的溶解量会大幅度增加,同时由于良好的导热性,在熔池快速凝固的情况下,氢难以逸出,滞留在熔池中形成气孔;
(6) 铝合金在激光直接沉积过程中可能造成低沸点合金元素(如Zn、Si等元素)烧损,造成合金成分的变化,影响零件的组织和性能。

顶立科技通过自有技术,重点解决了旋转雾化制备铝合金粉体材料微量氧元素控制,低熔点元素烧损机理、铝合金激光直接沉积增材制造过程控形控性机制、激光直接沉积铝合金构件热处理组织调控机理、零件性能表征及考核验证方法等关键科学问题;突破超纯洁净专用铝合金材料制备、自适应激光直接沉积增材制造技术、高性能热处理等多项关键技术,最终实现大型整体高性能铝合金构件在航空领域的应用。

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