引言

3D打印技術(亦稱"增材制造技術")作為一項前瞻性和國家戰(zhàn)略性技術,其工程應用性很強,領域跨度很大,廣泛應用于汽車、模具、醫(yī)療及航空航天等領域。在《中國制造2025》規(guī)劃綱要中,3D打印(增材制造)作為代表性的新興技術占有重要位置,體現(xiàn)了我國對3D打印的重視程度。在國家政策的推動下,部分高校和研究所重點開展3D打印設備、材料和工藝等方面的研究和應用。中國航發(fā)北京航空材料研究院重點開展3D打印材料制備技術、3D打印成型工藝和3D打印設備設計與集成技術等七類關鍵技術應用,涉及設備、材料、工藝和質量評價全流程的關鍵技術研究,對推動3D打印產(chǎn)品實現(xiàn)工程化應用具有重要意義。北京航空航天大學王華明院士團隊重點開展大型金屬構件激光熔化沉積增材制造技術研究,依托"產(chǎn)學研"合作,開展增材制造控形與控性研究,突破了鈦合金、超高強度鋼等大型關鍵構件激光熔化沉積增材制造工藝、裝備、標準和應用關鍵技術。此外,華南理工大學、西北工業(yè)大學、南京航空航天大學、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方面開展工藝和機理研究,取得了國際先進的研究成果。

本文以航空鋁合金薄壁零件為研究對象,探索增材制造技術在航空鋁合金薄壁類零件上應用的可能。

1設備及方法

1.1實驗設備

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

1.2實驗零件及材料

實驗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,實驗所用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打印整個過程包括粉末選擇和檢測、零件打印、零件后處理和檢測等環(huán)節(jié)。對照3D打印標準工藝流程,制定了該典型航空薄壁零件3D打印工藝流程。工藝過程分為前期準備、零件打印、熱處理、線切割、去支撐和檢測六個階段。

2檢測內容與合格標準

對實驗獲得的航空薄壁零件及隨爐試樣進行尺寸檢測、力學性能檢測、表面質量和內部質量檢測。隨爐試樣采用與零件同批粉末、同一型號設備、同一工藝參數(shù)進行激光選區(qū)熔化成型,并采用同一熱處理制度進行處理。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力學性能合格標準

對隨爐試棒進行力學性能檢測,結果應滿足表1要求。

2.2表面質量合格標準

制件應100%進行目視檢查及熒光滲透檢驗,熒光檢驗按HB/Z61進行,表面質量要求為:

(1)零件表面應處理干凈,不應有飛邊、毛刺:

(2)零件非加工表面不允許有表面污染,機械加工表面允許存在不超過機械加工余量范圍、經(jīng)機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)待機加表面允許存在經(jīng)機加可以完全去除的裂紋及其他缺陷。

2.3內部質量合格標準

按HB/Z60對零件進行x射線檢測,不允許有縮孔及線性缺陷,單個氣孔及夾雜≤2.0mm,間距≥20mm且不多于2個。

2.4尺寸檢測合格標準

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

3實驗結果與分析

3.1力學性能

對隨爐試棒進行力學性能檢測,檢測內容包括抗拉強度、屈服強度、伸長率、斷面收縮率和硬度,拉伸性能檢測結果如表2所示,硬度檢測結果如表3所示。由檢測結果可知:橫向和縱向隨爐試棒抗拉強度、伸長率和硬度檢測結果均滿足零件設計圖紙要求,且橫向試棒抗拉強度高于縱向。

3.2表面質量

按GJB2367A一2005《滲透檢驗》標準對零件進行表面質量檢測,未發(fā)現(xiàn)超標準缺陷,零件表面質量符合評定標準要求。

3.3內部質量

按HB/Z60一1996《X射線照相檢驗》對零件進行內部質量檢測,未發(fā)現(xiàn)超標準缺陷,零件內部質量符合要求。

3.4零件尺寸檢測

運用三維測量儀對零件進行三維尺寸檢測,將檢測結果與零件三維模型進行對比分析,分析結果如圖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結語

本文以航空鋁合金薄壁零件為對象進行3D打印快速成型,對成型零件進行了力學性能、表面質量、內部質量和尺寸等檢測,結果表明3D打印航空鋁合金薄壁零件力學性能、表面質量、內部質量和尺寸均符合設計要求,力學性能高于鑄件性能,且具有無需開模、制造周期短等優(yōu)點。