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我国航空钛合金风扇和高压压气机转子取得突破
浏览:3 发布日期:2019/5/15 17:16:07
3D打印技术是21世纪引发新一轮工业革命的关键技术。它与传统的锻压+机械加工、锻造+焊接等大型金属构件制造技术相比,具有制造流程短,综合力学性能优异,材料利用率高,生产成本较为低廉等一系列优点,在某些方面甚至可代替价格极其昂贵的大型锻铸工业装备。近20年来已成为国际材料加工工程与先进制造技术学科交叉领域的前沿研究热点。近年来我国3D打印技术也不断获得重大突破,取得了一系列具有国际领先水平的重大成果。列如,在我国新一代重型和中型隐身战斗机用发动机关键部件:高温钛合金双性能整体叶盘也获得了重大进展,采用了激光快速成形双相钛合金“ 特种热处理”新工艺, 激光增材制造出了具有梯度组织和梯度性能的先进航空发动机钛合金整体叶盘,具有极为优异的综合力学性能。新一代高性能军用飞机的优异作战性能强烈依赖于先进高推重比航空发动机的应用,而整体叶盘技术将发动机叶片、轮盘等零件集成设计为一个整体构件,可大幅减少零件数量,减轻结构质量,从而提高发动机的推重比和使用可靠性。有资料称较与传统的榫齿连接结构相比,每个整体叶盘可减重约30%。目前双性能整体叶盘技术的制造方法主要采用是焊接法,通过线性摩擦焊等技术将不同性能的叶片和盘片焊接为一个整体。然而焊接法的最大问题是连接区域往往会成为整个构件的薄弱环节,这对于强调高可靠性和长寿命的航空发动机高速转动部件来说是个重要隐患。随着增材制造技术的发展和不断成熟,人们提出直接在盘体上增材生长出叶片,通过同轴送粉激光熔覆方法,在钛合金盘体边缘预先加工出凸台,逐层堆积成钛合金叶片。传统钛合金风扇和高压压气机转子采用榫齿连接结构,叶片和盘分开制造,可以灵活选用不同材料或同一材料不同组织状态,这是因为叶片需要高的强度、塑性和高周疲劳强度性;而盘片则需要优异的耐高温性、低周疲劳性及损伤容限性,两者性能要求截然不同。整体叶盘如果采用同一种组织状态,往往难以满足叶片和盘不同的受力和受热条件要求,在一定程度上各自损失了一些性能。为了挖掘整体叶盘的最大性能潜力,必须发展双性能整体叶盘技术。钛合金激光增材制造过程中移动熔池凝固存在池底外延生长和熔池表面异质形核两种主导凝固方式,通过对熔池凝固两种主要方式的主动控制即可实现对增材制造金属构件凝固晶粒形态和力学性能的主动控制。第一种熔池方式可使构件获得定向生长全柱状晶组织,其具有优异的高温持久蠕变性能,第二种方式可使构件获得各向同性力学性能优异的等轴晶凝固组织。这两种方式通过人为交替排列,可获得“钢筋混凝土状”混合凝固晶粒组织。这种混合凝固晶粒组织迄今未见国内外报道、传统冶金锻铸技术也无法制备。该技术实现了整体叶盘叶片和盘体组织性能的精确控制,特别是整体叶盘的盘体到叶片的关键过渡区,实现了组织性能的平稳渐进过渡,达到了航空发动机专家所希望的要求。
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