3D打印技术在航空铝合金薄壁零件上的应用

引言

3D打印技术(亦称"增材制造技术")作为一项前瞻性和国家战略性技术,其工程应用性很强,领域跨度很大,广泛应用于汽车、模具、医疗及航空航天等领域。在《中国制造2025》规划纲要中,3D打印(增材制造)作为代表性的新兴技术占有重要位置,体现了我国对3D打印的重视程度。在国家政策的推动下,部分高校和研究所重点开展3D打印设备、材料和工艺等方面的研究和应用。中国航发北京航空材料研究院重点开展3D打印材料制备技术、3D打印成型工艺和3D打印设备设计与集成技术等七类关键技术应用,涉及设备、材料、工艺和质量评价全流程的关键技术研究,对推动3D打印产品实现工程化应用具有重要意义。北京航空航天大学王华明院士团队重点开展大型金属构件激光熔化沉积增材制造技术研究,依托"产学研"合作,开展增材制造控形与控性研究,突破了钛合金、超高强度钢等大型关键构件激光熔化沉积增材制造工艺、装备、标准和应用关键技术。此外,华南理工大学、西北工业大学、南京航空航天大学、航空工业625所和北京有色金属研究总院等单位均在金属零件增材制造技术方面开展工艺和机理研究,取得了国际先进的研究成果。

本文以航空铝合金薄壁零件为研究对象,探索增材制造技术在航空铝合金薄壁类零件上应用的可能。

1设备及方法

1.1实验设备

综合考虑了零件材料、尺寸、表面粗糙度和质量要求,采用选区激光熔化成型技术,实现快速制造,设备采用500WIPG光纤激光器,最大成型尺寸为250mmx250mmx400mm。零件成型过程中采用氩气全过程保护,保证材料在成型过程中不被氧化。

1.2实验零件及材料

实验选取典型航空薄壁零件,该零件最小壁厚2.5mm,外形尺寸175mmx122.5mm×216.2mm,其材料为Alsi10Mg,实验所用Alsi10Mg粉末采用气雾化法制备。零件三维模型如图1所示。

1.3工艺流程

3D打印整个过程包括粉末选择和检测、零件打印、零件后处理和检测等环节。对照3D打印标准工艺流程,制定了该典型航空薄壁零件3D打印工艺流程。工艺过程分为前期准备、零件打印、热处理、线切割、去支撑和检测六个阶段。

2检测内容与合格标准

对实验获得的航空薄壁零件及随炉试样进行尺寸检测、力学性能检测、表面质量和内部质量检测。随炉试样采用与零件同批粉末、同一型号设备、同一工艺参数进行激光选区熔化成型,并采用同一热处理制度进行处理。随炉试样的取向分为纵向、横向两种,xY为横向(H),Z为纵向(s)。

2.1力学性能合格标准

对随炉试棒进行力学性能检测,结果应满足表1要求。

2.2表面质量合格标准

制件应100%进行目视检查及荧光渗透检验,荧光检验按HB/Z61进行,表面质量要求为:

(1)零件表面应处理干净,不应有飞边、毛刺:

(2)零件非加工表面不允许有表面污染,机械加工表面允许存在不超过机械加工余量范围、经机械加工可以完全去除的表面污染:

(3)零件表面不允许有裂纹、未熔合及穿透性缺陷:

(4)待机加表面允许存在经机加可以完全去除的裂纹及其他缺陷。

2.3内部质量合格标准

按HB/Z60对零件进行x射线检测,不允许有缩孔及线性缺陷,单个气孔及夹杂≤2.0mm,间距≥20mm且不多于2个。

2.4尺寸检测合格标准

零件尺寸须满足设计图纸要求,尺寸公差按HB6103一2004CT7执行。

3实验结果与分析

3.1力学性能

对随炉试棒进行力学性能检测,检测内容包括抗拉强度、屈服强度、伸长率、断面收缩率和硬度,拉伸性能检测结果如表2所示,硬度检测结果如表3所示。由检测结果可知:横向和纵向随炉试棒抗拉强度、伸长率和硬度检测结果均满足零件设计图纸要求,且横向试棒抗拉强度高于纵向。

3.2表面质量

按GJB2367A一2005《渗透检验》标准对零件进行表面质量检测,未发现超标准缺陷,零件表面质量符合评定标准要求。

3.3内部质量

按HB/Z60一1996《X射线照相检验》对零件进行内部质量检测,未发现超标准缺陷,零件内部质量符合要求。

3.4零件尺寸检测

运用三维测量仪对零件进行三维尺寸检测,将检测结果与零件三维模型进行对比分析,分析结果如图2所示。按HB6103一2004CT7,零件最小尺寸公差为0.74mm,由图2可知,该零件尺寸公差符合要求。

4结语

本文以航空铝合金薄壁零件为对象进行3D打印快速成型,对成型零件进行了力学性能、表面质量、内部质量和尺寸等检测,结果表明3D打印航空铝合金薄壁零件力学性能、表面质量、内部质量和尺寸均符合设计要求,力学性能高于铸件性能,且具有无需开模、制造周期短等优点。