1、引言

目前國內外新興的金屬增材制造技術打印技術為新產品的制造帶來了革命性的突破，在很大程度上改變了傳統的思維方式和固有的研發流程，實現了復雜產品構件設計制造的高質量快速響應。歐美等世界各國的高度重視金屬增材制造技術快速發展。尤其對該技術在航空航天領域的應用開展了大量研究工作并將這一先進技術工程化。美國航空航天局已于2012年底開始打印零件并用于下一代大推力火箭的測試。2013年8月，NASA對用3D打印技術制作出的火箭發動機噴射器進行了成功測試。歐洲宇航防務集團創新工場和歐洲光學學會使用直接金屬激光燒結技術制造的鈦零件替代空客A320發動機艙的鑄鋼鉸鏈支架。在關鍵載荷位置優化金屬結構布置，削減了75％的原材料重量。

金屬3D打印也叫金屬增材制造?；诮o粉的方式不同，3D打印技術主要分為兩大類：基于同步送粉激光熔覆技術發展起來的成型技術，本項目采用的3D打印技術是目前成形最精密的SLM(精密選區熔化)技術，基于快速成形的最基本思想即逐層熔覆的增材制造方式，根據零件的三維模型。將模型按一定的厚度切片分層，即將零件的三維形狀信息轉換成一系列二維輪廓信息，隨后在數控系統的控制下，用激光通過陣鏡控制來熔化金屬粉末，直接成形具有特定幾何形狀的零件。成形過程中金屬粉末完全熔化，熔化的粉末制件產生良好的冶金結合。由于SLM技術可直接獲得幾乎任意形狀、具有完全冶金結合、高精度的近乎致密金屬零件，應用范圍比較廣，主要是航空航天領域的超輕結構件、機械領域的工具及模具、生物醫療領域等。它主要特點是：不去除材料的毛坯表面精度可到達Ra6.3μm，與部分機加工方式精度相當；成形精度高，可獲得0.1mm的立方網格結構體；由于SLM光斑集中，成形過程熔池大小≤0.1mm，沉積成形體材料內部組織非常細小、均勻，晶粒尺寸達到微米級；致密度幾乎能達到100％。零件機械性能與鍛造工藝所得相當，綜合性能優異。本項目需采用TC11高溫鈦合金材料實現航天高精度復雜零件SLM增材制造并應用目前在國內還較少，需進行相關設計制造技術研究。

提高產品結構的功率質量比對航天產品意義十分重大。航天高溫鈦合金結構件復雜的產品制造過程可通過開展基于SLM技術的設計、制造研究而高效、集約實現。即首先通過有限元分析計算及專業軟件實現基于SLM增材制造結構的輕量化、一體化設計：其次通過合理優化的工藝參數和后續熱處理來實現SLM增材制造零件制備；之后應用技術研究包括SLM增材制造高溫鈦合金難加工材料的切削性能研究、SLM增材制造零件的精密機械加工技術研究、基于SLM技術產品檢測與試驗方法研究等實現實際應用。通過以上研究解決了零件快速成型問題，減輕零件重量，改善切削加工性能，提高產品質量，縮短生產周期，滿足使用要求。

2、產品特點

本課題產品工作環境惡劣，工作工質為約1200℃的高溫氣體，表面工作溫度達(400~500)℃，承載著高達幾萬轉的工作轉速的輪系。為了滿足惡劣環境和減重設計要求，對材料高溫性能要求高，且結構與制造過程復雜。原產品由前殼體A、前殼體B、進氣嘴、后殼體、排氣管、左、右支架、壓板共12個零件組成，通過鍛造、焊接、熱處理、精密機加、組合機加、裝配等工藝環節組裝成殼體組合件，主要制造過程見圖2。

產品制造過程中主要存在以下問題：①制造周期長。產品從備料到產出需六個月時間；②材料利用率低。整體材料利用率為21.3％，材料浪費嚴重：③焊接難度大。耐高溫鈦合金材料焊接需要保護，大厚度封閉焊縫需多層焊接并容易產生裂紋；④加工難度大。渦輪殼體尺寸加工要求高，但由于多次焊接、熱處理造成殼體變形大，另外殼體結構復雜，需要較多的工裝保證加工尺寸：⑤裝配難度大。渦輪殼體與支架安裝處由于焊接變形和無法二次機加，裝配時與渦輪支架裝配間隙大，降低了結構剛度，易造成裝配過約束。

3、基于SLM增材制造的功能最優一體化、輕量化設計

實現過程首先在于設計基于SLM技術優先關注功能的實現，不考慮制造工藝。通過有限元分析計算及專業的金屬3D打印模型設計、處理軟件實現基于SLM技術的功能最優一體化、輕量化的設計技術。

采用一體化設計：在滿足現有產品性能和接口要求的前提下，首先對渦輪殼體進行了結構一體化設計，由原來12個零件縮減至兩個零件。通過仿真計算，為殼體的3D打印提供依據。模型如圖3所示。

輕量化設計：通過專業軟件對殼體非主承力部位進行鏤空結構處理，應用拓撲網狀結構，保證結構體剛度強度的情況下，保證壁厚不變及避開安裝孑L的情況下，獲得更大的減重效率模型薄壁邊界與內部構建中空網格支撐形狀如圖4。

殼體結構功能優化設計：利用專業的金屬3D打印模型設計處理軟件對殼體結構進行功能化結構設計、優化處理，使殼體構件更加趨于完全功能化。如采取新的結構設計對殼體構件筋條進行處理。

4、SLM成形工藝技術

項目采用TC11高溫鈦合金實現殼體制造。TC11高溫鈦合金工作溫度可達500℃以上，但成型過程變形與開裂的傾向大。對產品在激光選區熔化成形過程中會發生變形的部位，通過整體支撐加固、薄壁加厚、不同輔助支撐結構措施來自由成形產品中的復雜結構：經過金屬3D打印專用軟件的系統運算、模擬對比，最終確定局部支撐形貌。優化支撐結構也解決了鈦合金激光選區熔化過程中的變形開裂問題：

SLM增材制造構件內部質量和性能的控制主要是通過合理優化的工藝參數和后續熱處理來實現。

1)設備：采用EOS M280型選擇性激光熔化設備。400W光纖激光器，最大零件成形尺寸為250mm×250mm×300mm，成形過程中通過惰性氣體對成形零件進行保護。

2)基材：鈦合金板

3)激光選區熔化代碼生成：在激光選區熔化之前確定成形件的三維模型。然后通過Magics軟件對模型進行處理，最終生成支撐。然后將處理好的模型Rp—Tools切片分層生成程序文件，最終生成數控代碼。

4)激光選區熔化工藝參數及生產過程：通過合理的工藝試驗驗證，嚴格控制成形工藝過程，確保激光功率、掃描速度、掃描路徑、氣氛控制等工藝參數的合理性。

5)激光選區熔化殼體的熱處理：根據新的成形方法對傳統標準熱處理工藝進行調整，建立與SLM增材制造工藝及TC11高溫鈦合金相匹配的熱處理制度(雙退火)，改善材料內部組織和殘余應力狀態。調整零件性能。

5、SLM增材制造高溫鈦合金零件切削性能研究

5.1 SLM增材制造高溫鈦合金材料切削性能研究

SLM增材制造的TC11耐高溫鈦合金材料為新型難加工材料。具有高溫強度、硬度高，熱導率低，精密切削加工過程中切削溫度高，加工變形大，刀具易磨損的難加工特點。選擇各種切削刀具。針對SLM增材制造耐高溫鈦合金材料車削、銑削、磨削精密切削加工過程開展切削性能研究。研究SLM增材制造高溫鈦合金材料切削過程中的與切削參數以及刀具和切削參數之間的關系，掌握材料切削性能。將切削性能研究成果進行實際應用，促進高效率、高精度、高性能SLM增材制造技術的應用，參數選擇見圖8。

5.2 SLM增材制造零件的精密機械加工技術研究

1)工藝流程設計：整體設計的零件復雜，空間交匯點多，需滿足眾多關鍵技術要求。精度要求達微米級。結合SLM復雜殼體的特點進行工藝流程設計：采用多軸加工中心，精密車床、精密磨床多種設備充分結合，制定多種關鍵工序控制點結合的工藝流程。利用加工中心工作臺旋轉功能和原點轉換功能一次加工多個關聯的基準，并采用試切法調整零偏，為后續所有加工提供加工基準；同時針對SLM增材制造渦輪殼體的變形問題提出平衡裝夾力、增加輔助支撐、調整加工參數等工藝策略，解決復雜結構精密加工難點，滿足基于SLM增材制造渦輪殼體的微米級尺寸精度及眾多關鍵技術要求。精密加工過程見圖9。

2)切削工藝的選擇及切削參數的優化：針對SLM新型難加工材料切削過程產生振動及形成較差的切削條件的特點。運用防振刀桿、改制螺紋銑刀等刀具形式，同時將切削性能研究成果進行實際應用，針對切削加工的主要因素如切削速度、進給速度、切削程度等，進行切削工藝試驗進行切削參數的優化，保證精度指標。解決深盲孔加工、小螺紋孔加工、高精度偏心孔的數控加工等加工難題，為零件實現SLM增材制造提供應用技術保障。

6、基于SLM技術產品檢測與試驗方法研究

為了檢測產品性能滿足性。開展了零件三維掃描測量、化學成分和組織分析、高溫和室溫力學性能檢測、無損探傷等檢測。并根據產品使用要求開展地面載荷試驗。

1)三維掃描測量技術實現產品的快速、可視化尺寸及形位質量檢測

2)SLM增材制造高溫鈦合金材料的成分及理化性能檢測和評判標準研究。為新材料應用可行性提供基礎數據化學成分和組織分析通過產品同爐試塊分析，成分檢測內容包括：Ti、Al、Si、Zr、Mo、C、H、O、N等；高溫和室溫力學性能檢測包括抗拉強度、規定非比例延伸強度、斷后伸長率、斷面收縮率等室溫力學性能檢測，500℃高溫力學性能檢測；著色滲透熒光檢測和x光探傷主要檢測殼體成形后的表面質量和內部裂紋等缺陷。

3)地面試驗考核氣密試驗考核產品結合面密封可靠度的試驗，對產品充氣0.6MPa。保持5min，不允許有壓降。試驗滿足設計指標。

按照技術要求，產品在額定負載和半負載下進行冷氣試驗，考核產品在冷狀態下與其它零部件的匹配性以及功能滿足性。冷氣負載試驗結果表明性能滿足設計指標。

7、結論

采用了基于SLM的金屬增材制造技術實現了結構復雜度高、工作環境苛刻、可靠性要求高的航天關鍵零件的3D打印與精密加工。突破了基于SLM技術的功能最優一體化、輕量化的設計技術，應用拓撲網狀結構，在保持結構強度和剛度基本不變的條件下，減輕了零件的結構質量10％左右，零件生產周期相對于傳統制造工藝縮短50％以上，材料利用率由21.3％提高到達到85％以上：突破了基于SLM技術耐高溫鈦合金TC11增材制造技術應用研究，材料性能達到材料手冊提供的物理性能指標，零件尺寸精度達到±0.1mm、表面粗糙度小于Ra6.3μm，處于國內領先水平；突破了精密加工及三維檢測技術，實現了復雜零件空間尺寸的三維在線檢測，大大提升了檢測效率。產品通過了地面冷氣試驗考核驗證。

該項目為航天產品快速制造平臺構建提供了技術支持，提供了一種高效、集約的新型設計制造方式，對提高產品性能、提高材料利用率、降低研制周期、節約生產裝配成本具有重要意義。

參考文獻：

[1]王運贛.三維打印自由成形[M].北京：機械工業出版社，2012.

[2]任敬心.難加工材料磨削技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

相關鏈接