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3D打印技術在大型鑄鍛件領域應用

發布日期:2017-8-9     瀏覽次數:1237

 

 3D打印技術的應用及研究主要集中在航空航天、電子、醫療等精密零件的加工和修復領域,而在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領域上的應用還很少。大型鑄鍛件產品,如火電主軸、核電封頭、水輪機葉片等的重量動輒幾十上百噸,而以目前的金屬3D打印技術平均1kg/h的加工速度以及每公斤上千元的材料成本計算,采用大型鑄鍛件整體3D打印技術完成大型鑄鍛件的制造無法實現。但是,這并不是說3D打印技術不能在大型鑄鍛件領域得到廣泛的應用。

只要應用得當,3D打印技術也可以像鑄造、鍛造以及焊接一樣,成為大型鑄鍛件制造中不可缺少的重要生產工藝,并且在大型鑄鍛件行業的技術創新、降本增效、質量提升過程中發揮重要作用。本文通過參考當前金屬及非金屬3D打印技術在其他領域取得的研究成果,對未來3D打印技術在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領域的應用方向進行了分析,從而為大型鑄鍛件行業的發展提供借鑒。

 

鍛件加工車間

1.金屬材料3D打印技術

3D打印鈦合金大型整體主承力結構件等大型零件的金屬材料的性能可以達到或接近鍛件水平。3D打印技術修復渦扇發動機葉片技術實現了3D打印與零件基體結合區域的性能達到了零件的要求。與傳統的焊接相比,金屬3D打印修復具有以下特點:

(1)熱影響區小,不影響基體組織應力分布;

(2)無需加熱及后續熱處理;

(3)3D打印組織與基體冶金結合致密,性能接近零件原組織;

(4)3D打印區域組織性能達到鍛件水平;

(5)自動化控制,加工余量少。

1.1 大型鍛件局部3D打印成形

以AP1000核電主管道為例,設計要求采用超低碳控氮不銹鋼整體鍛造,鍛件生產的主要難點是兩個管嘴的成形,鍛件材料利用率在15%以下。受3D打印技術修復渦扇發動機葉片的啟發,核電主管道的成形可以簡化為鍛造或擠壓不銹鋼管+3D打印管嘴成形,該方法能夠極大的降低核電主管道的生產難度及成本。

類似核電主管道及多管嘴封頭等具有局部難成形特征的大型鍛件都可以采用鍛件主體+3D打印局部的方式成形,該方法將在保證鍛件整體質量的情況下大大降低鍛件的生產難度、成本和周期。另外,還可將大型鍛件局部3D打印成形的思路拓展到大型零件3D打印拼焊技術。如果3D打印區域以及3D打印區域與基體結合區域的金屬材料性能都能達到鍛件要求,這就預示著未來完全可以采用3D打印拼焊鍛件代替整體大鍛件。

1.2 大型鍛件缺陷修復

大型鍛件表面及內部的超標缺陷、由于缺料造成的鍛件加工余量不足等質量問題,都可能導致鍛件的整體報廢,造成巨大的經濟損失和能源浪費。由于焊接組織的性能低于鍛件組織,因此鍛件一般不容許補焊,而金屬3D打印技術的出現卻能改變這一現狀。目前,金屬3D打印的某些材料性能已經能夠達到鍛件水平,如果3D打印組織與鍛件基體的結合能達到鍛件要求,就可以采用3D打印技術局部修補大型鍛件的缺陷區域,從而提高鍛件合格率。未來,隨著3D打印技術的提高,類似大型鑄件容許補焊一樣,大型鍛件也容許3D打印修復,這對于大型鍛件生產工藝將是革命性的突破。

1.3 大型零件在線修復

發電機轉子、水輪機葉片、船用曲軸等大型鍛件在使用過程中會出現局部裂紋、磨損及變形等失效問題,傳統的補焊方法需要通過機加工→預熱→焊接→機加工→熱處理等流程才能修復。修復工作需要在大型專業設備上進行,但是修復區域性能低于零件原組織,增加了維修成本、維修周期,維修效果也不理想。而采用機器人與3D打印技術相結合構成的便攜式可移動金屬3D打印設備能改變這一現狀,實現大型零件的現場修復,甚至在線修復。機器人金屬3D打印技術修復大型零件的具體操作步驟是:

(1)確定修復方案,對修復區域進行預處理;

(2)采用三維成像技術對修復區域進行三維反求建模;

(3)將修復區域三維模型轉化為機械手移動路徑;

(4)確定3D打印參數,機械手定位,進行修復;

(5)修復區域表面處理及檢測。

1.4 大型零件表面處理

金屬3D打印技術的一個重要發展方向就是多材料以及漸變材料的3D打印成形,該領域的研究成果可以在大型零件,特別是在結構復雜或功能復雜零件的表面處理上得到應用。相比于電鍍、熱噴涂以及化學氣相沉積等傳統的金屬表面處理方式,金屬3D打印技術被看作是激光涂覆工藝的延伸,具有結合層牢固、涂層厚度大且可控、數字化控制、材料范圍廣等優勢,特別是在大型零件的局部改性和強化方面優勢明顯。

1.5 金屬材料3D打印技術的研究重點

根據目前金屬3D打印技術的發展情況,以上研究方向在技術上都有很大的可行性,而且許多技術已在小型零件上得到應用。為了使金屬3D打印技術在大型鑄鍛件領域早日得到應用,當前應在以下幾個方面進行重點研究:

(1)材料方面。相對于鈦合金及高溫合金,大型鑄鍛件使用的鐵基合金較為簡單,關鍵是材料成本的控制。

(2)設備方面。目前3D打印設備的工作臺面尺寸及承重有限,無法滿足大型鑄鍛件局部加工要求,未來需要開發更加靈活便捷的加工設備。

(3)系統方面。3D打印制造及修復需要三維反求、建模、二維路徑轉化等操作,而大型鑄鍛件多為單件小批量生產,缺陷出現隨機性大,因此未來需要對相應軟件及操作進行集成,從而提高生產效率。

(4)工藝方面。不斷優化金屬3D打印工藝參數,使其更好適應大型鑄鍛件的特殊要求,預防開裂、變形以及脫落等缺陷的產生。

(5)性能方面。為了使3D打印技術在核電、火電以及大型壓力容器等大型零件上得到持久應用,類似持久蠕變、低周疲勞等材料基礎實驗數據需要長期積累。

(6)標準問題。不同于小型零件,安全生產是大型鑄鍛件修復及制造的重點,而各種生產和質量標準的缺失是3D打印技術在該領域發展的重要瓶頸,標準的制定也需要較長的時間。

 

 轉載自南極熊,轉載目的在于傳遞更多信息。

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