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基于快速增材制造關(guān)鍵金屬

發(fā)布時(shí)間：2022-09-06 12:13:41瀏覽：7143點(diǎn)贊：

航空航天

、模具、工業(yè)

、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正以大型化

、高參數(shù)、極端惡劣條件下壽命與可重復(fù)性增長的目標(biāo)快速發(fā)展

，致使其鈦合金、模具鋼等關(guān)鍵金屬部件尺寸愈來愈大

、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜

、性能要求日趨提高，對制造技術(shù)也提出了更高的要求

。采用傳統(tǒng)減材制造技術(shù)生產(chǎn)上述大型

、異形

、整體

、高性能金屬部件，不僅需要萬噸級以上的重型鍛造設(shè)備及大型鍛造模具

，并且材料損耗大

、利用率低

、成本高

。國際趨勢表明，鈦合金

、模具鋼等難加工金屬大型關(guān)鍵部件制造技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家重大高端裝備制造業(yè)水平高低的基準(zhǔn)

。

3D打印技術(shù)（AM）能夠直接成形機(jī)械性能優(yōu)良

、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬構(gòu)件

，具有傳統(tǒng)加工方法沒有辦法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此該技術(shù)有望為航空航天

、國防工業(yè)重大裝備中大型難加工金屬構(gòu)件的制造提供一條快速

、柔性

、低成本的技術(shù)新途徑[3]

。但由于未能有效解決制造過程中“熱/內(nèi)應(yīng)力”

、“內(nèi)部缺陷”等控制問題，致使3D打印還難以應(yīng)用于航空航天關(guān)鍵及主承力構(gòu)件

、大型復(fù)雜模具等高端領(lǐng)域

。本文就3D打印技術(shù)發(fā)展面臨的問題與挑戰(zhàn)

，簡要分析了3D打印后續(xù)工藝控性技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)制訂發(fā)展現(xiàn)狀

，指出高性能關(guān)鍵金屬部件增材制造的發(fā)展和工程應(yīng)用

，將不單取決于高性能粉體材料制備及3D打印過程中內(nèi)部冶金缺陷的機(jī)理研究，更大程度上取決于影響3D打印關(guān)鍵金屬部件組織性能的后續(xù)工藝技術(shù)及設(shè)備的探究深度

。1. 3D打印面臨的問題3D打印具有“高性能粉體制備”、“復(fù)雜結(jié)構(gòu)直接制造”

、“表面控形”

、“后續(xù)工藝控性”一體化的獨(dú)特特征。以現(xiàn)階段最為火熱的激光選區(qū)熔化3D打印技術(shù)為例[4]

，該技術(shù)的材料非平衡物理冶金和熱物理過程十分復(fù)雜

，同時(shí)發(fā)生著激光束與粉體

、熔池與粉床的交互作用

、熔區(qū)超高溫梯度和強(qiáng)約束力下的快速凝固、構(gòu)件內(nèi)部組織演變

、循環(huán)條件下熱應(yīng)力演化等現(xiàn)象

。因此，3D打印面臨的最大問題在于打印過程中

，構(gòu)件鋪粉層與鋪粉層之間、單一鋪粉層內(nèi)部等局部區(qū)域產(chǎn)生的各種特殊的內(nèi)部缺陷

，如粉末團(tuán)聚

、粉末揮發(fā)飛濺、熱/內(nèi)應(yīng)力

、層間局部未融合

、氣隙

、卷入性和析出性氣孔

、微細(xì)陶瓷夾雜物

、內(nèi)部特殊裂紋、晶粒異常形核與長大等

，以至于影響最終成形部件的內(nèi)部質(zhì)量

、力學(xué)性能和部件的服役使用安全[5]

。事實(shí)上

，內(nèi)部冶金缺陷控制一直是3D打印亟待攻克的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖13D打印過程中產(chǎn)生的各類缺陷(a) 粉末團(tuán)聚

；(b) 粉末揮發(fā)飛濺

；(c)氣孔

國內(nèi)金屬基3D打印專家普遍將3D打印過程中出現(xiàn)內(nèi)部冶金缺陷的矛頭指向粉體材料基礎(chǔ)問題以及3D打印內(nèi)部特有冶金缺陷的基本特征

、形成機(jī)理及控制方法研究不夠深入

。筆者通過與世界著名3D打印材料專家，澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士

、蒙納什大學(xué)3D打印中心主任吳鑫華教授

、美國路易斯安娜州立大學(xué)郭晟旻教授的合作交流中，并結(jié)合自身多年在金屬基粉體制備方面的經(jīng)驗(yàn)

，深刻體會到，要從根本上解決長期制約關(guān)鍵金屬部件3D打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的內(nèi)部缺陷問題

，單單靠材料基礎(chǔ)問題與3D打印過程中的內(nèi)部缺陷機(jī)理研究是不夠的

。中國制造業(yè)從來都是“重冷輕熱”，而材料能否從根本上得到改性

，很大程度上取決于后續(xù)工藝工藝與設(shè)備

。筆者認(rèn)為

，3D打印的部件必需經(jīng)過后續(xù)熱等靜壓

、開模鍛造等致密化處理以及“四把火”（淬火、退火

、回火

、正火）等熱處理工藝，并制訂配套工藝標(biāo)準(zhǔn)

，才能從根本上減少或消除3D打印關(guān)鍵金屬部件存在的“內(nèi)部質(zhì)量”（冶金缺陷、晶粒及顯微組織等）問題

。2. 3D打印后續(xù)工藝控性技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀真空熱處理技術(shù)具有無氧化

、無污染、表面質(zhì)量高

、變形微小等突出特點(diǎn)

，是當(dāng)前國際熱處理技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)

。傳統(tǒng)金屬部件的改性熱處理技術(shù)

，只要摸索并制訂適用于3D打印領(lǐng)域的工藝及標(biāo)準(zhǔn)

，理論上可極大地改善3D打印內(nèi)部缺陷的問題[6-7]。筆者認(rèn)為

，所謂3D打印后續(xù)工藝控性技術(shù)

，除了在金屬熱處理領(lǐng)域已有千年歷史的“四火”外，還應(yīng)包括熱等靜壓

、開模鍛造等致密化處理、表面熱處理（感應(yīng)熱處理）以及化學(xué)熱處理（滲碳/滲氮）等

。2.1 熱等靜壓致密化處理熱等靜壓（HIP）是一種集高溫

、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)。被加工件在高溫高壓的共同作用下

，各向均衡受壓，故加工產(chǎn)品的致比重高

、均勻性好、性能優(yōu)異

。吳鑫華院士新近開發(fā)的近凈成形熱等靜壓工藝

，與國內(nèi)市場大部分熱等靜壓工藝截然不同。經(jīng)該技術(shù)處理的3D打印部件各方面性能有了實(shí)質(zhì)提高

，特別是在微觀組織與機(jī)械性能方面保持高度的一致性與重復(fù)性

。吳鑫華院士指出“3D打印過程中不可避免存在孔洞與缺陷，需要借助外力作用來消除

，而HIP毫無疑問是最好選擇之一。熱等靜壓工藝使材料發(fā)生蠕變及塑性變形

，從而以較小的變形改善部件內(nèi)部的空隙及缺陷”

。

圖2樣件經(jīng)HIP處理前后對比

(a) HIP處理前；(b) HIP處理后

2.2 真空淬火/回火處理按采用的冷卻介質(zhì)不同

，真空淬火處理可分為油淬

、氣淬

、水淬等

。真空淬火后的工件表面光亮不增碳不脫碳，使服役中承受摩擦和接觸應(yīng)力的產(chǎn)品

，如工模具H43鋼的使用壽命可提高幾倍甚至更高

。與表面狀態(tài)好具有同等重要意義的是淬火后工件尺寸和形狀變形小

，一般可省去修復(fù)變形的機(jī)械加工，從而提高經(jīng)濟(jì)效益并彌補(bǔ)3D打印成本高的不足

。真空回火目的是將已通過淬火后的3D打印金屬部件優(yōu)勢（產(chǎn)品不氧化、不脫碳

、表面光亮

、無腐蝕污染等）保持下來，并消除淬火應(yīng)力

，穩(wěn)定組織

。實(shí)踐證明，如3D打印TC4部件

，經(jīng)真空回火處理后其強(qiáng)度與常規(guī)效果所差無幾，但塑性卻明顯提高了

。2.3 真空退火/正火處理真空退火除了要達(dá)到改變3D打印金屬部件晶體結(jié)構(gòu)

、細(xì)化組織、消除應(yīng)力等改性目的以外

，還要發(fā)揮真空加熱可防止氧化脫碳

、除氣脫脂、使氧化物蒸發(fā)的效果

，從而進(jìn)一步提高表面光亮度和力學(xué)性能。正火既可以作為3D打印金屬部件的最終熱處理

，也可以作為預(yù)備處理

。正火代替退火可提高部件的力學(xué)性能；一些受力不大的工件

，正火可代替調(diào)制處理作為最終熱處理

，簡化熱處理工藝；也可作為用感應(yīng)加熱方法進(jìn)行表面淬火前的預(yù)備熱處理

。2.4 真空滲碳/滲氮處理滲碳/滲氮是目前應(yīng)用最廣泛的一種化學(xué)熱處理方法。它是滲碳

、滲氮介質(zhì)在工件表面產(chǎn)生的活性原子

，經(jīng)過表面吸收和擴(kuò)散將碳、氮滲入工件表層

，以便將工件淬火和低溫回火后

，顯著提高其表層的硬度、強(qiáng)度

，特別是疲勞強(qiáng)度和耐磨性

，而芯部仍保持一定的強(qiáng)度和良好的韌性。3. 國內(nèi)外3D打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析隨著3D打印技術(shù)的日臻成熟

，與之相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)化工作也日趨活躍[8]

。自2002年，美國汽車工程師協(xié)會發(fā)布了首個(gè)3D打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)《退火Ti-6Al-4V鈦合金激光沉積產(chǎn)品》以來

，已經(jīng)陸陸續(xù)續(xù)頒布了19項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)

。這些標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了產(chǎn)品的退火和熱等靜壓工藝制度

、3D打印過程中制件的消除應(yīng)力退火制度及要求以及退火或熱等靜壓后的時(shí)效制度

，反映了國外已經(jīng)在控制內(nèi)部缺陷、消除殘余應(yīng)力

，減少變形方向等方面開展了大量的研究工作

。反觀國內(nèi)，我國3D打印技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展落后于國外

，沒能充分反映國內(nèi)技術(shù)發(fā)展的水平

。由于缺少對3D打印工藝過程的表征

、控制和認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)

，技術(shù)的大范圍推廣使用受到制約，已有的技術(shù)優(yōu)勢并沒有能夠迅速轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢和市場優(yōu)勢

，因此迫切需要開展3D打印技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作，特別是關(guān)乎組織性能調(diào)控的熱處理制度及設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)工作

。4. 3D打印后續(xù)工藝技術(shù)及設(shè)備探究真空熱處理技術(shù)是隨著真空熱處理設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展的

。美國首臺真空熱處理設(shè)備的成功研制

，才開啟真空退火/淬火工藝的應(yīng)用

。“一代裝備

，一代技術(shù)

，一代材料”，裝備作支撐

，工藝技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)

，材料制備才有保障。國內(nèi)企業(yè)往往注重材料配方與具體工藝的實(shí)施

，而忽略裝備在材料制備過程中的重要性，這點(diǎn)在3D打印后續(xù)工藝領(lǐng)域顯得尤為突出

。事實(shí)上

，欲減少或消除3D打印關(guān)鍵金屬部件存在的“內(nèi)部質(zhì)量”問題

，其根本在于后續(xù)工藝技術(shù)及設(shè)備的探究深度。4.1 臥式雙室真空氣冷油淬裝備該設(shè)備主要用于3D打印模具鋼（H43等）

、高強(qiáng)鋼

、高速鋼

、合金鋼等關(guān)鍵金屬部件的真空熱處理

，可以完成的工藝內(nèi)容包括：真空油淬、真空氣淬

、真空退火與真空回火等工

。

圖3臥式雙室真空氣冷油淬裝備結(jié)構(gòu)示意圖

臥式雙室真空氣冷油淬裝備是頂立科技研發(fā)的新一代改進(jìn)型高端設(shè)備，符合“工業(yè)4.0”

、“中國制造2025”發(fā)展特征趨勢及基本要素

，是全球最先進(jìn)的熱處理裝備之一

。其主要特征如表1所示：

4.2 立式真空雙室淬火裝備立式真空雙室淬火爐是頂立科技新一代高端熱工裝備

，也是《中國熱處理與表層改性技術(shù)路線圖》指定的重點(diǎn)攻關(guān)設(shè)備，具有廣泛的應(yīng)用前景

。立式水淬爐不僅適用于鈦合金水固溶處理

，還可以擴(kuò)展至、鋁合金

、鎳基及鈷基高彈性合金3J21

、核能領(lǐng)域17-4PH、410不銹鋼

、鎢基高比重合金等真空水固溶處理。

圖4立式真空雙室水淬裝備結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備具有以下顯著技術(shù)特點(diǎn)：工件從立式真空水淬爐中完成固溶處理

，僅需垂直降落

，無∏型運(yùn)行軌跡，工件運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間相對縮短

，可達(dá)到＜6s

，且無水蒸氣污染真空泵組，相比臥式真空水淬爐顯示了極大的優(yōu)越性

。除此之外

，采用立式結(jié)構(gòu)

，十分適用于淬透性不強(qiáng)

，長桿狀結(jié)構(gòu)的α+β鈦合金零部件的固溶熱處理，畸變量十分微小。中國某公司使用VVWQ3030立式真空水淬爐設(shè)備專門處理3D打印TC4鈦合金制品

，工藝內(nèi)容：固溶+時(shí)效

，取得了良好的效果：外觀：工件處理完畢后，表面光亮

，無氧化色

；淬透性：Φ20mm截面內(nèi)全部淬透；畸變量：較小

，全跳動量增加0.02mm

。機(jī)械性能大幅提高，具體如表2所示

。

4.3 臥式雙室真空高壓氣淬裝備該設(shè)備適用于各類航空、航天領(lǐng)域中3D打印專用高壓氣淬處理

，包括鋁基

、銅基、銀基

、鎳基

、金基、不銹鋼

、復(fù)合材料

、高溫合金的高壓氣淬處理，目前是ACME供給航空引擎葉片制造廠的主打設(shè)備

。

圖5臥式雙室真空高壓氣淬裝備結(jié)構(gòu)示意圖

該設(shè)備具有的技術(shù)特點(diǎn)如表3所示：

4.4 臥式雙室真空滲碳裝備該裝備主要用于20CrMnTi、12Cr2Ni4A

、12Cr2Ni3A等結(jié)構(gòu)鋼

、高合金滲碳鋼的滲碳及滲碳后的淬火，1Cr13等不銹鋼的滲碳及滲碳后的淬火

，工模具鋼的淬火，以及齒輪類部件

、軸套類部件

、精密軸承、油泵油嘴機(jī)械件

、精密機(jī)器部件等的淬火、退火等

。其技術(shù)特征為：（1）臥式雙室結(jié)構(gòu)

，1個(gè)滲碳室和1個(gè)淬火室，淬火介質(zhì)依據(jù)實(shí)際可選擇

；（2）鼠籠式石墨加熱爐膽上均勻布置著滲碳介質(zhì)注入噴頭

，確保氣氛均勻

；（3）實(shí)現(xiàn)1050℃下高溫滲碳，極大的縮短了滲碳周期

；（4）淬火轉(zhuǎn)移料車傳遞平穩(wěn)

，執(zhí)行“慢-快-慢”運(yùn)行節(jié)拍，轉(zhuǎn)移時(shí)間短

；（5）采用脈沖氣氛控制，對盲孔滲碳更具有優(yōu)勢

。

圖6臥式雙室真空滲碳裝備結(jié)構(gòu)示意圖

4.5 真空熱壓裝備該裝備主要用于各類金屬材料

、復(fù)合材料、高導(dǎo)熱材料

、SiC陶瓷

、耐磨類材料等真空/氣氛下的高溫?zé)釅籂顟B(tài)下的致密化工藝。其主要特征如下：（1）單室

、內(nèi)熱

、冷壁、臥式結(jié)構(gòu)

，整體布置緊湊合理；（2）配裝的液壓專用壓力機(jī)確保系統(tǒng)控制加載壓力準(zhǔn)確

；（3）加壓方式可選擇單向加壓和雙向?qū)?div id="jfovm50" class="index-wrap">；?）熱場可懸著石墨隔熱屏、全金屬隔熱屏

；（5）加載壓力可懸著30T

、35T、100T

、200T

、400T、500T

、800T

、1000T；（6）真空熱壓爐溫度可選擇1500℃

、1800℃、2000℃

、2300℃

、2500℃；（7）壓頭材料可選擇等靜壓石墨、TZM合金

。

圖7真空熱壓裝備結(jié)構(gòu)示意圖

除此之外

，還有各類特種真空熱處理裝備，可廣泛應(yīng)用于金屬基3D打印構(gòu)件的后續(xù)工藝

，包括臥式高真空退火裝備

、立式底裝料高真空退火裝備、高真空回火裝備等

。5. 結(jié)束語（1）高性能關(guān)鍵金屬部件增材制造的發(fā)展和工程應(yīng)用

；（2）加快我國3D打印技術(shù)國家標(biāo)準(zhǔn)制訂

，特別是3D打印后續(xù)工藝技術(shù)及工藝相關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)十分必要；（3）頂立科技現(xiàn)有真空熱處理高端產(chǎn)品基本代表了中國最先進(jìn)的水平

，時(shí)代賦予了頂立科技責(zé)任與使命

，將加大開發(fā)符合“工業(yè)4.0”

、“中國制造2025”趨勢的高端熱處理裝備力度

，滿足快速3D打印關(guān)鍵金屬部件對組織性能調(diào)控的后續(xù)工藝需求。

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