引言

3D打印技術(shù)(亦稱"增材制造技術(shù)")作為一項(xiàng)前瞻性和國(guó)家戰(zhàn)略性技術(shù),其工程應(yīng)用性很強(qiáng),領(lǐng)域跨度很大,廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、模具、醫(yī)療及航空航天等領(lǐng)域。在《中國(guó)制造2025》規(guī)劃綱要中,3D打印(增材制造)作為代表性的新興技術(shù)占有重要位置,體現(xiàn)了我國(guó)對(duì)3D打印的重視程度。在國(guó)家政策的推動(dòng)下,部分高校和研究所重點(diǎn)開(kāi)展3D打印設(shè)備、材料和工藝等方面的研究和應(yīng)用。中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院重點(diǎn)開(kāi)展3D打印材料制備技術(shù)、3D打印成型工藝和3D打印設(shè)備設(shè)計(jì)與集成技術(shù)等七類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用,涉及設(shè)備、材料、工藝和質(zhì)量評(píng)價(jià)全流程的關(guān)鍵技術(shù)研究,對(duì)推動(dòng)3D打印產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用具有重要意義。北京航空航天大學(xué)王華明院士團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)開(kāi)展大型金屬構(gòu)件激光熔化沉積增材制造技術(shù)研究,依托"產(chǎn)學(xué)研"合作,開(kāi)展增材制造控形與控性研究,突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等大型關(guān)鍵構(gòu)件激光熔化沉積增材制造工藝、裝備、標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)。此外,華南理工大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、航空工業(yè)625所和北京有色金屬研究總院等單位均在金屬零件增材制造技術(shù)方面開(kāi)展工藝和機(jī)理研究,取得了國(guó)際先進(jìn)的研究成果。

本文以航空鋁合金薄壁零件為研究對(duì)象,探索增材制造技術(shù)在航空鋁合金薄壁類(lèi)零件上應(yīng)用的可能。

1設(shè)備及方法

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

綜合考慮了零件材料、尺寸、表面粗糙度和質(zhì)量要求,采用選區(qū)激光熔化成型技術(shù),實(shí)現(xiàn)快速制造,設(shè)備采用500WIPG光纖激光器,最大成型尺寸為250mmx250mmx400mm。零件成型過(guò)程中采用氬氣全過(guò)程保護(hù),保證材料在成型過(guò)程中不被氧化。

1.2實(shí)驗(yàn)零件及材料

實(shí)驗(yàn)選取典型航空薄壁零件,該零件最小壁厚2.5mm,外形尺寸175mmx122.5mm×216.2mm,其材料為Alsi10Mg,實(shí)驗(yàn)所用Alsi10Mg粉末采用氣霧化法制備。零件三維模型如圖1所示。

1.3工藝流程

3D打印整個(gè)過(guò)程包括粉末選擇和檢測(cè)、零件打印、零件后處理和檢測(cè)等環(huán)節(jié)。對(duì)照3D打印標(biāo)準(zhǔn)工藝流程,制定了該典型航空薄壁零件3D打印工藝流程。工藝過(guò)程分為前期準(zhǔn)備、零件打印、熱處理、線切割、去支撐和檢測(cè)六個(gè)階段。

2檢測(cè)內(nèi)容與合格標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)實(shí)驗(yàn)獲得的航空薄壁零件及隨爐試樣進(jìn)行尺寸檢測(cè)、力學(xué)性能檢測(cè)、表面質(zhì)量和內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)。隨爐試樣采用與零件同批粉末、同一型號(hào)設(shè)備、同一工藝參數(shù)進(jìn)行激光選區(qū)熔化成型,并采用同一熱處理制度進(jìn)行處理。隨爐試樣的取向分為縱向、橫向兩種,xY為橫向(H),Z為縱向(s)。

2.1力學(xué)性能合格標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)隨爐試棒進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),結(jié)果應(yīng)滿足表1要求。

2.2表面質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)

制件應(yīng)100%進(jìn)行目視檢查及熒光滲透檢驗(yàn),熒光檢驗(yàn)按HB/Z61進(jìn)行,表面質(zhì)量要求為:

(1)零件表面應(yīng)處理干凈,不應(yīng)有飛邊、毛刺:

(2)零件非加工表面不允許有表面污染,機(jī)械加工表面允許存在不超過(guò)機(jī)械加工余量范圍、經(jīng)機(jī)械加工可以完全去除的表面污染:

(3)零件表面不允許有裂紋、未熔合及穿透性缺陷:

(4)待機(jī)加表面允許存在經(jīng)機(jī)加可以完全去除的裂紋及其他缺陷。

2.3內(nèi)部質(zhì)量合格標(biāo)準(zhǔn)

按HB/Z60對(duì)零件進(jìn)行x射線檢測(cè),不允許有縮孔及線性缺陷,單個(gè)氣孔及夾雜≤2.0mm,間距≥20mm且不多于2個(gè)。

2.4尺寸檢測(cè)合格標(biāo)準(zhǔn)

零件尺寸須滿足設(shè)計(jì)圖紙要求,尺寸公差按HB6103一2004CT7執(zhí)行。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1力學(xué)性能

對(duì)隨爐試棒進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè),檢測(cè)內(nèi)容包括抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、斷面收縮率和硬度,拉伸性能檢測(cè)結(jié)果如表2所示,硬度檢測(cè)結(jié)果如表3所示。由檢測(cè)結(jié)果可知:橫向和縱向隨爐試棒抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和硬度檢測(cè)結(jié)果均滿足零件設(shè)計(jì)圖紙要求,且橫向試棒抗拉強(qiáng)度高于縱向。

3.2表面質(zhì)量

按GJB2367A一2005《滲透檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)零件進(jìn)行表面質(zhì)量檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)缺陷,零件表面質(zhì)量符合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3內(nèi)部質(zhì)量

按HB/Z60一1996《X射線照相檢驗(yàn)》對(duì)零件進(jìn)行內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè),未發(fā)現(xiàn)超標(biāo)準(zhǔn)缺陷,零件內(nèi)部質(zhì)量符合要求。

3.4零件尺寸檢測(cè)

運(yùn)用三維測(cè)量?jī)x對(duì)零件進(jìn)行三維尺寸檢測(cè),將檢測(cè)結(jié)果與零件三維模型進(jìn)行對(duì)比分析,分析結(jié)果如圖2所示。按HB6103一2004CT7,零件最小尺寸公差為0.74mm,由圖2可知,該零件尺寸公差符合要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文以航空鋁合金薄壁零件為對(duì)象進(jìn)行3D打印快速成型,對(duì)成型零件進(jìn)行了力學(xué)性能、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和尺寸等檢測(cè),結(jié)果表明3D打印航空鋁合金薄壁零件力學(xué)性能、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量和尺寸均符合設(shè)計(jì)要求,力學(xué)性能高于鑄件性能,且具有無(wú)需開(kāi)模、制造周期短等優(yōu)點(diǎn)。