3D激光快速成形技術(shù)研究

賀強(qiáng)，周長(zhǎng)春，白曉亮

(1.中國(guó)民用航空飛行學(xué)院航空工程學(xué)院，四川廣漢618307;2.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，陜西西安710072)

0 前言

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的廣泛應(yīng)用，基于CAD模型的產(chǎn)品研制已經(jīng)成為航空制造業(yè)的主流模式。在該模式下，通常基于零件的CAD模型和材料毛坯，通過去除材料或變形的方式得到與CAD模型幾何一致的零件實(shí)體。盡管該模式對(duì)航空制造業(yè)的進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用，然而若干年的工業(yè)實(shí)踐也表明這是一項(xiàng)十分耗時(shí)和技術(shù)難度較高的工作，尤其是針對(duì)要求高性能、具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)且在航空制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的鈦合金構(gòu)件的研制。針對(duì)這一現(xiàn)狀，出現(xiàn)了一種變革性的數(shù)字化制造技術(shù)——激光快速成形技術(shù)。該技術(shù)打破傳統(tǒng)去除材料或變形的制造模式，采用“離散＋堆積”的增材制造思想，由CAD模型一步完成構(gòu)件的制造，具有無(wú)需模具、幾何形狀復(fù)雜度無(wú)限制、加工周期短、制造成本低、柔性高、綜合性能優(yōu)異等顯著優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)自20世紀(jì)90年代問世以來(lái)，迅速成為航空大國(guó)競(jìng)相優(yōu)先發(fā)展的一種先進(jìn)制造技術(shù)［1］。

作為航空強(qiáng)國(guó)，美國(guó)引領(lǐng)著這一先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造的研發(fā)和工程化應(yīng)用。目前，激光快速成形技術(shù)已成為美國(guó)航空航天國(guó)防武器裝備大型鈦合金結(jié)構(gòu)件的核心制造技術(shù)之一。在F/A-18E、F22和F35等先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上，大量鈦合金、不銹鋼等材料的薄壁結(jié)構(gòu)件、復(fù)雜加筋件和空腔結(jié)構(gòu)件等均采用該技術(shù)制造［2-3］。北京航空航天大學(xué)王華明教授的研究團(tuán)隊(duì)突破了鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等材料的大型復(fù)雜構(gòu)件激光快速成形技術(shù)，并已成功開展工程化應(yīng)用。王教授的團(tuán)隊(duì)?wèi){借“3D激光快速成形技術(shù)”獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)［1］。西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東教授的研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)激光快速成形技術(shù)的相關(guān)理論、技術(shù)及應(yīng)用方面開展了大量的研究工作［3，6-12］。目前，激光快速成形技術(shù)已經(jīng)能夠制造主承力航空構(gòu)件，制造的最大零件的投影面積已達(dá)12 m2，并且材料利用率在70%以上。文中結(jié)合上述研究，分析了激光快速成形技術(shù)的原理、關(guān)鍵技術(shù)步驟以及具有的優(yōu)勢(shì)，并對(duì)研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，最后對(duì)激光快速成形技術(shù)應(yīng)用到直升機(jī)制造業(yè)的前景進(jìn)行了分析。

1 激光快速成形技術(shù)原理、關(guān)鍵步驟及優(yōu)勢(shì)

在原理上，激光快速成形技術(shù)打破“去除材料或變形”的常規(guī)加工思想，采用“增材”原理進(jìn)行零件的成形。該技術(shù)利用激光具有能量集中、易于控制、并且是成本較低的工業(yè)能量的優(yōu)勢(shì)，精確調(diào)節(jié)與控制激光光速，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的精細(xì)堆積與加工處理，從而快速制造高致密復(fù)雜金屬構(gòu)件。

激光快速成形的主要過程及關(guān)鍵步驟為:首先對(duì)零件的CAD模型進(jìn)行切片處理，將零件的網(wǎng)格模型按一定厚度分層離散成一系列類似計(jì)算機(jī)灰度圖像的2D輪廓數(shù)據(jù);然后基于輪廓數(shù)據(jù)生成可控制激光運(yùn)動(dòng)的數(shù)控驅(qū)動(dòng)程序，從而驅(qū)動(dòng)激光自底向上逐層熔覆沉積金屬粉末;最終獲得組織致密、高性能的“近凈形”零件。完整的激光快速成形制造流程如圖1所示。

圖1 激光快速成形過程

針對(duì)激光快速成形中的CAD模型切片問題，劉厚才等［5］提出了基于輪廓邊的快速求交算法，克服了經(jīng)典算法中的奇點(diǎn)問題。馬良等人［6］根據(jù)STL模型中三角面片的幾何信息，結(jié)合切片厚度，建立分組矩陣，通過構(gòu)建三角面片之間局部的動(dòng)態(tài)拓?fù)潢P(guān)系來(lái)減少三角面片的求交次數(shù)和遍歷次數(shù)。該技術(shù)基于經(jīng)典的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)求交算法，通過優(yōu)化三角面片的遍歷次數(shù)來(lái)完成各層圖像的快速生成。總體而言，CAD模型切片和基于輪廓數(shù)據(jù)生成驅(qū)動(dòng)程序的算法較為成熟，而后續(xù)的激光熔覆過程則涉及復(fù)雜的物理、化學(xué)、力學(xué)和冶金問題，是制約激光快速成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的難題，文中將在下一節(jié)進(jìn)行詳述。

作為一種突破性的高新技術(shù)，激光快速成形技術(shù)融合應(yīng)用了CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制、精密伺服驅(qū)動(dòng)以及材料科學(xué)等諸多學(xué)科的先進(jìn)技術(shù)，具有以下顯著優(yōu)勢(shì):

(1)無(wú)需模具和毛坯制備，直接根據(jù)CAD模型生成任何形狀的構(gòu)件，尤其適合具有復(fù)雜幾何形狀的構(gòu)件;

(2)近凈成形，后續(xù)加工量小、材料利用率高、周期短、成本低、效率高;

(3)構(gòu)件具有細(xì)小、均勻的快速凝固組織，綜合力學(xué)性能優(yōu)異;

(4)具有高柔性，能快速響應(yīng)市場(chǎng)的變化。

2 研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 內(nèi)部組織及缺陷的形成機(jī)理

激光快速成形過程可描述為:(1)連續(xù)輸送到激光熔覆區(qū)的金屬粉末熔化，即在激光束的作用下，基體或前一層熔覆層發(fā)生局部重熔，并混合成合金熔體;(2)金屬熔體在熔池內(nèi)流動(dòng)直至熔池內(nèi)的溫度趨于一致且熔體合金成分趨于均勻;(3)隨著輪廓變化，運(yùn)動(dòng)熔池中的熔體非平衡快速凝固。

上述過程發(fā)生在體積小、壽命短的液態(tài)熔池中，是一個(gè)非常復(fù)雜的非平衡短時(shí)物理冶金過程［7］。激光、金屬粉末與熔池的交互過程如圖2所示。陳靜等人［7］利用高速攝影來(lái)實(shí)時(shí)觀測(cè)激光快速成形過程中液態(tài)熔池的形成及演化過程。張鳳英等［8］研究了鈦合金激光快速成形過程中缺陷的形成機(jī)制，氣孔缺陷主要取決于粉末的松裝密度，熔合不良與激光的能量密度、多道間搭接率以及Z軸單層行程有關(guān)。由于激光快速成形過程中的各種變化極其復(fù)雜，構(gòu)件的內(nèi)部組織和內(nèi)部缺陷的形成機(jī)制等關(guān)鍵問題研究困難。北京航空航天大學(xué)和沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所的“產(chǎn)學(xué)研”研究團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，突破了零件變形、開裂的預(yù)防和內(nèi)部質(zhì)量控制等難題［1］。

圖2 激光、粉末熔池交互過程示意圖

2.2 成形過程的模擬與仿真

為獲得穩(wěn)定、高質(zhì)量的構(gòu)件，準(zhǔn)確把握激光快速成形過程中的內(nèi)部組織和內(nèi)部缺陷的形成規(guī)律，對(duì)成形工藝參數(shù)以及成形過程進(jìn)行仿真優(yōu)化逐漸得到重視。賈文鵬等［9］采用有限單元生死技術(shù)模擬了熔池形成和自由界面形狀演化及熔覆層的沉積過程，利用界面溫度與粉末粒子動(dòng)量損失狀況來(lái)模擬熔池對(duì)粒子的捕捉以及構(gòu)件對(duì)粉末的反射，并采用LAGRANGIAN粒子追蹤模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)粉末顆粒的跟蹤。馬良等［10］基于ANSYS，利用二次開發(fā)技術(shù)建立了激光成形過程溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)的參數(shù)化有限元模型。采用移動(dòng)熱源和單元生死技術(shù)，對(duì)激光成形過程中的熱應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了仿真，在準(zhǔn)確計(jì)算溫度場(chǎng)演化規(guī)律的基礎(chǔ)上，揭示了塑性壓縮區(qū)、塑性拉伸區(qū)、卸載區(qū)等熱應(yīng)力場(chǎng)的產(chǎn)生原因。譚華等人［11］針對(duì)激光快速成形的工藝特點(diǎn)，研究了基于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)原理的閉環(huán)控制系統(tǒng)，來(lái)調(diào)整工藝參數(shù)，以獲得高性能和高質(zhì)量的構(gòu)件，并論述了監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)一步的發(fā)展方向。

2.3 激光快速成形的應(yīng)用現(xiàn)狀

作為一種變革性技術(shù)，激光快速成形技術(shù)主要針對(duì)需求量大、復(fù)雜度高且難加工或材料去除量極大的零件。美國(guó)F-22飛機(jī)的兩個(gè)鈦合金接頭件，如圖3所示，采用激光快速成形技術(shù)制造，其綜合性能較傳統(tǒng)加工方式有了大幅度提高，且制造成本降低了20%～40%，生產(chǎn)周期也縮短了80%。

圖3 F-22的激光快速成形鈦合金件

北京航空航天大學(xué)與中航工業(yè)集團(tuán)成立了中航激光公司，將激光快速成形技術(shù)的研究成果產(chǎn)業(yè)化。該項(xiàng)目在國(guó)際上首次突破了飛機(jī)鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件的激光成型工藝、力學(xué)性能控制、工程化成套設(shè)備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。已經(jīng)成功在我國(guó)多個(gè)型號(hào)飛機(jī)上開展了工程化應(yīng)用。圖4為首次公開展示的采用激光快速成形技術(shù)制造的某型戰(zhàn)機(jī)的大型鈦合金零件。

圖4 北航激光快速成形的鈦合金件

經(jīng)過多年的深入研究，西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東教授在激光快速成形技術(shù)方面也取得了突出的成果。圖5所示的激光快速成形技術(shù)制造的大型鈦合金零件為某型機(jī)的主承力件。圖3、4、5均為互聯(lián)網(wǎng) (鳳凰網(wǎng)，www.ifeng.com)上公開的激光快速成形技術(shù)制造的復(fù)雜構(gòu)件。

圖5 西工大激光快速成形的鈦合金件

3 直升機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用分析

3.1 動(dòng)部件的快速制造

直升機(jī)旋翼升力系統(tǒng)主槳轂、尾槳轂和自動(dòng)傾斜器 (合稱“動(dòng)部件”)的生產(chǎn)制造是直升機(jī)制造最核心的技術(shù)。動(dòng)部件為主承力件，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣，疲勞強(qiáng)度要求高，且材料多為TB6鈦合金和高溫合金等難加工材料。目前采用整體鍛造毛坯，再數(shù)控加工的方式生產(chǎn)動(dòng)部件，具有工序長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、零件加工去除量大、數(shù)控加工時(shí)間長(zhǎng)，材料利用率低等亟待解決的問題。根據(jù)文獻(xiàn) ［12］的研究，與“鍛件＋機(jī)加”成形方式相比，主要材料為鈦合金和高溫合金的動(dòng)部件若采用激光快速成形技術(shù)制造，則具有與之相當(dāng)或更優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。此外，激光快速成形技術(shù)先天具有的不依賴模具、對(duì)零件幾何復(fù)雜度無(wú)限制、生產(chǎn)周期短和材料利用率高等優(yōu)勢(shì)，特別適合響應(yīng)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)變化。因此，采用激光快速成形技術(shù)來(lái)制造直升機(jī)的動(dòng)部件對(duì)提高動(dòng)部件的綜合力學(xué)性能、降低制造成本和縮短研制周期等具有重要意義。

3.2 動(dòng)部件的快速修復(fù)

直升機(jī)動(dòng)部件是重要的承力部件，承受了槳葉傳導(dǎo)的離心力、揮舞彎矩、擺振彎矩等。因此，動(dòng)部件是直升機(jī)上最容易磨損的部件。動(dòng)部件成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成數(shù)十萬(wàn)、甚至上百萬(wàn)的損失。激光快速成形技術(shù)是逐點(diǎn)增材制造的，故只需把缺損零件看做特殊的基體，對(duì)缺損部位進(jìn)行幾何重建，在重建幾何上進(jìn)行切片分層，最后利用激光快速成形技術(shù)即可快速修復(fù)零件。由于激光能量在時(shí)空分布和功率密度上的可控性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他工業(yè)能源，因此可以最大限度減少修復(fù)加熱過程對(duì)被修復(fù)零件的不利影響。此外，由于激光快速成形過程可以同步控制成形合金成分和組織，因而可以通過控制修復(fù)區(qū)成分、組織使修復(fù)區(qū)與零件本體的性能保持一致，從而恢復(fù)構(gòu)件的固有屬性。基于激光快速成形的動(dòng)部件修復(fù)技術(shù)不僅能夠挽回巨大的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間損失，還能提高資源的利用率，符合低成本、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

綜上所述，激光快速成形技術(shù)在直升機(jī)制造業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景，值得我國(guó)直升機(jī)研制單位持續(xù)關(guān)注。

4 結(jié)論與展望

作為工業(yè)之花的航空制造業(yè)的重要組成部分，直升機(jī)產(chǎn)業(yè)正經(jīng)歷飛速的變革。要想做大做強(qiáng)該產(chǎn)業(yè)，沒有一勞永逸的解決方案。只有不斷加強(qiáng)研究和發(fā)展，才能順應(yīng)發(fā)展潮流，立于強(qiáng)者之林。激光快速成形技術(shù)所帶來(lái)的巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)必將引領(lǐng)先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展。直升機(jī)動(dòng)部件的制造技術(shù)是直升機(jī)研制公司制造能力的體現(xiàn)，從成本、效率、質(zhì)量而言，采用激光快速成形技術(shù)來(lái)進(jìn)行動(dòng)部件的制造和修復(fù)具有巨大技術(shù)優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益，可作為未來(lái)動(dòng)部件制造技術(shù)的優(yōu)先發(fā)展方向。

［1］王華明，張述泉，王向明.大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進(jìn)展與挑戰(zhàn)［J］.中國(guó)激光，2009，36(12):3204-3209.

［2］DAVID A，F(xiàn)RANK A.Laser forming titanium components［J］.Advanced Materials ＆ Processes，1998(5):29-30.

［3］楊健，黃衛(wèi)東.激光直接制造技術(shù)及其在飛機(jī)上的應(yīng)用［J］.航空制造技術(shù)，2009(7):36-38.

［4］楊恩泉.3D打印技術(shù)對(duì)航空制造業(yè)發(fā)展的影響［J］.航空科學(xué)技術(shù)，2013(1):13-17.

［5］劉厚才，莫健華，儲(chǔ)愛民.三維打印快速成型層面位圖的生成算法［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2009(5):63-68.

［6］馬良，黃衛(wèi)東.基于STL數(shù)據(jù)模型動(dòng)態(tài)拓?fù)渲貥?gòu)的快速切片算法［J］.中國(guó)激光，2008，35(10):1623-1626.

［7］陳靜，譚華，楊海鷗，等.激光快速成形過程中熔池形態(tài)的演化［J］.中國(guó)激光，2007，34(3):442-446.

［8］張鳳英，陳靜，譚華，等.鈦合金激光快速成形過程中缺陷形成機(jī)理研究［J］.稀有金屬材料與工程，2007，36(2):211-215.

［9］賈文鵬，陳靜，林鑫，等.激光快速成形過程中粉末與熔池交互作用的數(shù)值模擬［J］.金屬學(xué)報(bào)，2007，43(5):546-552.

［10］馬良，黃衛(wèi)東，于君，等.金屬激光立體成形熱應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)化有限元模型［J］.中國(guó)激光，2009，36(12):3226-3231.

［11］譚華，陳靜，楊海鷗，等.激光快速成形過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)控制［J］.應(yīng)用激光，2005，25(2):73-77.

［12］黃衛(wèi)東，林鑫.激光立體成形高性能金屬零件研究進(jìn)展［J］.中國(guó)材料進(jìn)展，2010，29(6):12-27.