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【行业资讯】金属增材制造技术在武器装备的应用和发展

更新时间:2022-11-24 13:58点击次数:
 红旗注册摘要 金属增材创制工夫能告终庞大样子金属构件的火速完全创制,已成为高机能火器设备庞大构件策画和创制的新办法。本文综述了火器设备创制采用的金属增材创制办法及特质,遵守质料分类陈列了金属增材创制工夫正在火器设备创制范围外率的运用案例。正在认识近况的基本上,预测了金属增材创制工夫正在火器设备范围他日的繁荣趋向。  随火器设备轻量化、强防护、高损伤、消息化和智能化的繁荣,其零部件组织和性能渐渐

  红旗注册摘要 金属增材创制工夫能告终庞大样子金属构件的火速完全创制,已成为高机能火器设备庞大构件策画和创制的新办法。本文综述了火器设备创制采用的金属增材创制办法及特质,遵守质料分类陈列了金属增材创制工夫正在火器设备创制范围外率的运用案例。正在认识近况的基本上,预测了金属增材创制工夫正在火器设备范围他日的繁荣趋向。

  随火器设备轻量化、强防护、高损伤、消息化和智能化的繁荣,其零部件组织和性能渐渐呈组织性能庞大化和众样化,守旧的锻制、锻制和焊接等加工工艺难以知足创制和修复需求。近年来金属增材创制工夫的火速繁荣为火器设备庞大构件的创制和修复供给了新 办法 。比拟于守旧创制工艺,金属增材创制工夫无需模具,能裁汰创制工序、缩短创制周期,且能告终庞大构件的轻量化、组织一体化策画和创制 。

  本文作家紧要先容火器设备创制和修复采用的金属增材创制工夫和特点,概述金属增材创制工夫正在火器设备创制范围的运用近况,正在认识目前金属增材创制工夫运用进程中存正在题目的基本上,对金属增材创制工夫正在火器设备运用的繁荣趋向实行预测。

  金属增材创制工夫是以金属丝材、棒材或粉末等为原料,通过烧结、熔融、喷射等格式按模子离散后预订的途径逐层积聚,告终构件完全成形的优秀创制工夫 。目前邦外里火器设备研制紧要采用的金属增材创制工夫蕴涵激光、电弧、电子束、冷喷涂、搅拌摩擦增材创制工夫等,分类和使命道理如图1所示。

  激光增材创制工夫以高能激光为热源,正在惰性气体回护下熔化粉末或丝材,逐层积聚,告终零部件的直 接成形。激光增材创制工夫蕴涵激光-粉末增材创制和激光熔丝增材创制两种,此中激光-粉末增材创制工夫分为激光选区熔化增材和激光同轴送粉增材创制。与其他增材创制工夫比拟,激光增材创制工夫特别是激光选区熔化增材创制工夫成形精度高,实用于火器设备庞大工致组织零部件的完全创制。但激光选区熔化增材创制工夫受限于惰性气体舱室尺寸和配置、粉末本钱,不实用大尺寸庞大构件的火速、经济创制。其余,因为铝合金等质料导热性强,加上对激光的反射率高,正在激光选区熔化增材创制进程中易显示裂纹和气孔等缺陷 。与激光-粉末增材创制工夫比拟, 激光熔丝增材创制工夫浸积速度速,质料应用率高、本钱低,增材构件致密度高,且丝材易储存,但不实用于工致组织的零部件和丝材难制备的金属质料。

  电子束增材创制工夫以高能量密度电子束为热源,正在真空境况下将金属丝材或粉末等填充质料熔化, 遵守预先筹备的途径浸积,创制出金属零部件或毛坯 。与激光增材创制工夫比拟,电子束增材创制工夫浸积速度速,能创制难熔金属。因为正在真空境况下实行,不光能避免质料受氧、氢和氮的污染,且对金属具有真空熔炼效率,所以电子束增材创制工夫能知足钛合金等高温下万分绚烂的金属增材创制需求。其余,正在后续金属积聚前,电子束能火速正在已积聚金属外观扫描,对其预热,下降增材创制进程中的残存应力和变形。与电子束选区熔化粉末增材创制工夫比拟,电子束熔丝增材创制工夫浸积功用速、构件致密度高、质料本钱低、应用率高,实用于大型构件的火速创制。但因为电子束黑点小、能量聚会,正在电子束熔丝增材创制进程中当丝材因为热变形或直径平均性差而偏离电子束黑点区域时,易变成增材创制进程中止。

  电弧熔丝增材创制工夫(以下称为“电弧增材创制工夫”)以金属丝材为填充物,通过电弧将丝材熔化,遵守设定的途径逐层积聚,告终金属构件的完全成形。与电弧焊接好似,电弧增材创制工夫依据电极类型可分为熔化极和非熔化极电弧增材创制工夫。此中,非熔化极电弧增材创制工夫蕴涵钨极氩弧和等离子电弧两种 。与激光、电子束粉末基增材创制工夫比拟,电弧增材创制工夫不易发作未熔合等缺陷,创制功用高, 质料应用率高,丝材和配置本钱低,实用于大型、较庞大火器设备构件的完全火速创制。但与激光或电子束粉末基增材创制比拟,电弧增材创制工夫创制精度较低,需后续呆板加工,难告终庞大工致组织零部件的创制。其余,电弧增材创制工夫不实用于塑性变形才干差、难以制备成丝材的金属质料。

  冷喷涂增材创制工夫将金属粉末或金属/非金属羼杂粉末以超音速喷射到基体外观,粉末与基体碰撞后产生塑性变形并黏附正在基体外观,逐层积聚酿成构件实体 。正在冷喷涂增材创制进程中粉末未熔化,仅靠动能黏附积聚成块体。冷喷涂增材创制工夫具有浸积速度高、残存热应力较低、质料不易氧化等益处,实用于易氧化、热平静性差的金属质料,比方镁合金 。然而金属质料冷喷涂增材创制进程中易显示孔洞,金属颗粒间为呆板勾结,勾结力小,导悉力学机能、耐蚀性难以知足方针需求,须要对增材构件实行热等静压等后照料 。目前冷喷涂增材创制工夫紧要运用于武 器设备构件的外观改性和修复 。

  搅拌摩擦增材创制工夫通过呆板摩擦发作的热量将金属粉末或棒材原料加热到热塑性状况,逐层积聚发作冶金勾结,告终构件的完全火速成形 。搅拌摩 擦增材创制进程不涉及金属质料熔化,是固态增材创制成形工艺。与其他熔化型增材创制工夫比拟,搅拌摩擦增材创制工夫残存应力小、致密度高、气孔等缺陷敏锐性低,结构细微,具有更良好的力学机能和耐蚀性。其余,搅拌摩擦增材创制工夫使命条款为盛开的大气境况,不受粉末床或真空体例尺寸和使命条款的局部,能用于大型火器设备构件的完全创制,特别实用于铝合金、镁合金等熔化增材创制缺陷敏锐性高的轻质合金 。但搅拌摩擦增材创制工夫因为创制精度低和热源热量有限等来源,难告终庞大、工致组织或高熔点金属零部件的创制。

  近年来,邦外里高度着重增材创制工夫正在火器设备的运用和实行。外洋以美邦为代外针对增材创制工夫正在邦提防围的运用制订了一系列政策筹备,2016年美邦邦防部颁发了《增材创制工夫途径图》,认识邦防对增材创制工夫的需求,注意论说了策画、质料、工艺和代价链等工夫范围的繁荣方针 。2017 年美邦舟师颁发了《舟师增材创制推行安放》,确定增材创制工夫的历久繁荣方针。为胀舞增材创制正在舰船上的应 用,2018 年又颁发了《舟师增材创制安放》,新增了舰船增材创制实质,以补充海上保护才干。美邦空军提出增材创制打印政策筹备,先容空军增材创制的合头工夫、繁荣政策和方针,愿望他日征战环球创制收集, 以告终按需打印流程,下降本钱、有用提升部队天真性。美邦陆军正在邦防部增材创制工夫途径图基本上细化了范围央求,制订了陆军增材创制工夫途径图,先容增材创制工夫正在陆军维修与保护、新部件/体例的购买及安放和远征等范围的运用需乞降方针。2021 年美 邦邦防部颁发了《增材创制政策》,先容增材创制工夫的内在及其对邦防政策的影响事理,注意描写了增材创制要点繁荣范围和途径筹备,提出他日的繁荣偏向 。我邦2015年颁发了《中邦创制2025》政策筹备, 将增材创制等优秀创制工夫动作要点繁荣偏向。2017 年工信部等十二部分印发了《增材创制资产繁荣举措安放(2017—2020年)》,显然增材创制资产繁荣方针, 先容了增材创制繁荣要点职分和保护手段等。2020 年,我邦推出了《增材创制规范领航举措安放(2020 —2022年)》,提出到2022年,根基征战存身邦情、对接邦际的增材创制规范系统。始末数十年的火速繁荣, 金属增材创制工夫已运用于邦外里火器设备的研制、 分娩和修复范围,极大缩短了庞大零部件研制和修复周期,降制和维修本钱,补充组织策画和创制的自正在度,擢升了火器设备的归纳技战才干。目前金属增材创制工夫用于火器设备零部件创制和修复涉及的质料品种蕴涵特种钢、钛合金、铝合金、高温合金、镁合金和难熔合金等。

  2019 年 2 月,美邦陆军试验室用激光选区熔化增材创制工夫告成打印艾布拉姆斯 M1主战坦克涡轮发 动机高强钢叶轮电扇,并交付应用 。英邦BAE用电弧增材创制告终高强钢炮弹壳体的完全 创制和运用 。

  沈阳飞机策画磋商所和北京航空航天大学告终了超高强钢A100飞机升降架的激光增材创制,并领先试用 。2018 年中邦武器科学磋商院宁波分院采用电弧增材创制工夫告终了火器设备耐热钢头锥的完全创制,成功通过装机考察。南京理工大学应用电弧增材创制工夫告终了超高强钢炮弹弹体的完全创制。

  2019 年美邦通用动力陆地体例公司与通用增材创制公司配合告终了钛合金电缆护罩的完全创制,告成取代了美邦陆军地面战车原本18片钢焊接部件,质地减轻 85%。美邦 AeroMet公司采用激光增材创制工夫创制了 F-22 战争机接头、F-18 战争机翼根增强筋和升降架连合杆,已装机应用。此中,F-22 的接头件到达央求委顿寿命的 2 倍以上,翼根增强筋到达央求委顿寿命的4倍以上,升降架连杆委顿寿命突出原件的 30%。其余,AeroMet 公司采用激光增材创制工夫对军用直升机破损的钛合金构件实行了修复。英邦 BAE 公司和克兰菲尔德大学合效率电弧增材工夫创制了台风GR4战争机钛合金机翼大梁 。

  王华明冲破大型钛合金激光增材创制工艺、工程成套设备、构件内部质地及力学机能统制合头工夫, 创制出大型钛合金主承力框,告成将原本众个呆板连合组织优化为一个完全部件,已正在某型号战争机上获得运用。巩水利等采用电子束熔丝增材创制的钛 合金零件已运用于某型号战争机。鑫精合团队通过激光浸积增材创制工夫创制出高温钛合金产物已正在某飞机型号上获得装机运用。

  2016 年美邦舟师用增材创制工夫制备出新型铝合金连合器底壳,治理导弹连合器断裂的同时大幅缩短策画和创制周期。2020 年美邦 Meldmanufacturing 公司用搅拌摩擦增材创制告终了直径为3.05 m的铝合金零件完全创制,目前正正在展开第 5 代和他日战机铝合金构件搅拌摩擦增材创制修复工夫的磋商。

  2017 年起中邦武器科学磋商院宁波分院先后用电弧增材创制工夫打印了火炮炮架、导弹舱体和支架等庞大铝合金构件,通过装机考察和运用,正在告终轻量化同时极大缩短了研制周期。2021 年西安交通大学 卢秉恒院士团队用电弧增材创制工夫创制完工了全邦上首件10 m级高强铝合金重型运载火箭连合环样件。

  2017 年法邦 SAFRAN 集团采用激光选区熔化增材创制工夫创制了镍基合金涡轮喷嘴,取代原本的铬镍铁合金铸件,告成将原本的 8个组件裁汰到 4个,减 质地 35%。2017 年美邦洛克达公司与美邦空军配合采用增材创制工夫打印了 AR1 火箭煽动机高强耐烧蚀镍基高温合金部件,与此前俄罗斯制备的 RD-180 煽动机部件比拟,该打印部件无需金属涂层。美邦GE 公司采用电子束增材创制工夫,告成分娩出 TiAl合金叶片,已运用于GE9X煽动机,比拟守旧的镍基高温合金减质地50% 。2019年美邦Orbex公司用镍合金动作原质料,采用激光选区熔化增材创制工夫打印出小型火箭煽动机,组织裁汰质地30%,能继承特别的温度和压力震动。与守旧呆板加工比拟,创制工夫缩短90%, 本钱节俭50%以上 。美邦空军和GE公司以钴铬合金为原料,用激光增材创制告终了 F-15 和 F-16 战争 机F110喷气煽动机油底壳的创制。

  2012 年美邦陆军通过冷喷涂增材创制修复了武装直升机镁合金齿轮箱外壳 。2021 年美邦陆军试验室通过优化激光选区熔化增材创制,告终了稀土镁合金微晶格组织创制,对压缩手脚和断裂形式实行磋商 ,目前正针对稀土镁合金微晶格正在超轻无人机系 统和呆板人车辆组件的运用展开演示验证。

  2019 年德邦马普所冲破了纯钨的激光选区熔化增材创制工艺,告成打印了用于磁管理核聚变装备的纯钨蜂窝状组织 。2020 年美邦橡树岭邦度试验室用电子束增材创制告终 TiC 加强钼基复合质料制备, 能继承特别温度,适合正在航空航天高温境况应用 。

  金属增材创制工夫的繁荣和运用为庞大金属构件的创制和修复供给了新工艺,与守旧创制工艺有用互补,为优秀火器设备庞大零部件的策画、创制和服役供给了工夫支持和保护。但目前金属增材创制工夫运用于火器设备零部件创制和修复时正在质料、工艺和配置、结构组织和机能、质地检测和评议等方面仍面对很众题目和挑拨。图2为火器设备金属增材创制工夫繁荣趋向。他日需进一步展开相应的基本和运用磋商,实在实质如下。

  激光、电子束和电弧等熔化型增材创制是火速加热和冷却进程,正在庞大的热-力轮回效率下酿成与守旧创制工艺差异的显微结构和缺陷特点。图3为电弧增材创制固结结构特点和外率缺陷示贪图。

  开始,正在高温热源效率下,合金元素烧损导致增材创制积聚体完全合金元素偏离方针因素;正在金属增材创制固结进程中溶质元素再分拨惹起偏析,导致增材创制积聚体片面合金元素偏离方针因素,完全和片面合金元素含量偏离影响构件的应用机能。其次,正在金属增材创制进程中,熔体滚动性和外观氧化直接影响成形性和缺陷敏锐性。其余,正在增材创制众层众道积聚发作的“升温-降温-升温”热轮回及正在构件中惹起的“压应力-拉应力-压应力”应力轮回效率下,增材创制构件易发作固结裂纹、再热裂纹、液化裂纹等缺陷。所以,用于增材创制的金属质料因素策画需充沛研商合金元素烧损、偏析、熔体滚动和氧化、热-力轮回等冶金进程的影响。然而,目前金属增材创制工夫应用的很众金属粉末、丝材原料往往用与铸锻件相通的因素,未研商上述增材创制冶金进程和工艺特点对合金元素品种和含量的央求,导致很众金属质料的增材创制成形性差、缺陷敏锐性高、机能低下(尽管始末热照料),难以知足高机能火器设备构件创制和服役的需求。目前百般金属质料增材创制面对的题目:

  1)特种钢:特种钢特别是超高强钢电弧增材创制进程中外观氧化首要,导致构件中易发作搀和 。与变状态或者变形热照料态比拟,增材创制的超高强钢结构粗大,偏析首要,强韧性较低,需热照料革新强韧性 。但为获取精良的强韧性配合,超高强钢热照料工艺庞大,且增材创制合金元素偏析补充了热照料难度。如激光增材创制二次硬化超高强钢积聚态下强塑性较低,需实行热照料,将积聚体正在 1150 ℃保温 0.5 h,炉冷至900 ℃保温1 h,空冷至室温;然后正在680 ℃保 温 16 h,空冷至室温;随后正在 885 ℃奥氏体化 1 h,油冷至室温后随即速冷到-73 ℃,安顿1 h;终末正在482 ℃回火 5 h,热照料工艺万分庞大,补充能耗和工夫本钱的同时,补充了工艺统制难度 。其余,超高强钢氢脆敏锐性高,塑性变形才干差,丝材制备难度大、制品率低,增材创制进程中冷裂纹目标大。

  2)钛合金:因为钛合金正在高温下具有较高的活性, 与氧、氢、氮等元素均能产生反映,所以钛合金增材创制进程中需惰性气体或真空回护。其余目前的钛合金系统增材创制进程中酿成柱状晶的目标大,导悉力学机能各向异性 。

  3)铝合金:铝合金从液相到固相时,氢的熔解度呈阶跃式下降。所以,铝合金正在增材创制固结进程中氢大宗析出,加上铝合金固结速率速,导致氢来不足逸出,易产起火孔缺陷 。因为铝合金热导率大,增材创制进程中散热速,易导致未熔合孔洞等缺陷。另一方面,铝合金热膨胀系数大,正在增材创制进程中应力和变形较大,易发作热裂纹缺陷,特别是高强铝合金 。其余,由于铝合金氧化目标大,电弧增材创制进程中外观酿成氧化膜,正在后续的众层众道积聚进程中,要是氧化膜来不足上浮,容易残留正在熔敷金属层与层、道与道之间,补充积聚体中杂质含量 。关于高 合金含量的铝合金,一方面正在增材创制固结进程中因为溶质元素再分拨,显示首要的合金元素偏析和粗大的初生相,正在后续增材创制热轮回效率下易惹起液化裂纹;另一方面高含量合金元素的增加扩展了铝合金固液两相区,固结裂纹目标补充。

  4)高温合金:高温合金正在增材创制进程中易酿成未熔合、金属蒸汽孔洞等缺陷,与热输入巨细亲热合连 。另一方面,高温合金因为含有大宗合金元素, 增材创制固结进程中固液两相存正在温度区间宽,正在热应力效率下易发作固结裂纹。高温合金增材创制固结时杂质元素和合金元素向枝晶间和晶界偏析,合金元素偏析惹起枝晶间或晶界发作粗大的初生相 。正在后续增材创制热轮回速热速冷效率下,杂质元素偏析和初生相惹起枝晶间或晶界发作液化裂纹 。

  5)镁合金:镁合金蒸发温度低、蒸汽压高、氧化目标大,正在激光、电弧等热源下易蒸发,酿成未熔合孔洞和气孔等缺陷,致密度低,且易被氧化发作搀和 。对合金含量高的镁合金,增材创制进程中还易酿成偏析和粗大的初生相 。缺陷、偏析和初生相的酿成下降增材创制镁合金的力学机能 。其余,因为镁合金易氧化,粉末易燃烧爆炸,塑性变形才干差,导致镁合金粉末和丝材制备难度大、本钱高,氧、氢等杂质含量过高,制品率低。

  6)钨和钼等难熔合金:因为钨和钼等金属熔点高,正在增材创制时难熔化,易酿成未熔合和裂纹等缺陷 。为保障增材成形性、裁汰缺陷数目,目前钨和钼等难熔金属正在增材创制前须要对基板实行高温预热照料。德邦马普所磋商结果声明,为获取高致密度,钨合金激光增材创制时基板预热温度需达1000 ℃ 。过高的预热温度和工艺补充了增材成形性和质地统制难度,同时也对增材设 备提出了更高央求。

  从上述认识能够看出,针对火器设备金属零部件创制和运用需求,展开增材创制专用金属质料策画和制备的磋商,征战增材创制成形性和使役机能精良的金属质料系统和制备工艺样板,对金属增材创制工夫正在火器设备的运用和实行具有主要事理。近年来,邦外里环绕增材创制专用金属质料接连展开了少少磋商,获得了冲破性进步 。澳大利亚墨尔本皇家理工大学策画了新型 Ti-Cu 合金,正在激光增材创制火速固结进程中能酿成等轴、超细晶结构,战胜了 Ti-6Al- 4V 等钛合金激光增材创制进程中易酿成粗大柱状晶的题目,具有更优异的强度和伸长率 。中南大学、 新西兰奥克兰大学和中车工业磋商院有限公司通过增加硅和优化其他合金元素,开辟了一种实用于激光增材创制工艺的新型铝合金粉末质料,有用治理了铝合金激光增材创制热裂题目 。英邦牛津大学针对高温合金激光增材创制裂纹缺陷,通过谋略和试验磋商策画制备了裂纹敏锐性低的增材创制用高温合金粉末 。中邦武器科学磋商院宁波分院基于电弧增材创制冶金特点先后 策画和研制了高机能铝合金 、耐热钢和(超)高强钢丝材,治理了铝合金增材创制缺陷敏锐、耐热钢结构平静性和(超)高强钢 强韧性调控等合头题目,合连产物已告成运用于武器、航天等范围大型庞大金属构件的完全创制。即使目前增材创制专用金属质料研制受到合心,但质料品种简单,大个别使命仍处于试验室磋商、部分品种质料处于小批量试制阶段,尚无法知足增材创制工夫正在火器设备创制范围的运用和实行需求。金属质料是否实用于增材创制目前尚无显然的决断规范和按照。

  依据金属增材创制冶金进程、工艺特点和运用需求,增材创制用金属质料研制需研商的要素如图 4 所示。实在蕴涵:

  1)增材创制成形性:用于增材创制的金属质料系统开始要具有精良的增材创制成形性,蕴涵缺陷敏锐性、熔体滚动成形性、尺寸精度和外观质地等 。对电弧增材创制用丝材合金采选和策画还需研商增材创制进程中外观氧化和脱渣等成形题目,避免众层众 道接连积聚进程中前一道熔覆金属外观氧化皮残留, 惹起电弧漂移及夹渣和搀和等题目。

  2)粉末或丝材制备成形性:增材创制用金属质料需具有精良的粉末和丝材成形性,权衡目标蕴涵粉末和丝材尺寸样子及平均性、杂质含量、内部缺陷及质料应用率等。

  3)增材创制积聚体呆板加工机能:目前金属构件增材创制后往往需呆板加工保障尺寸和样子精度,所以用于增材创制的金属质料系统采选和策画时应试虑质料的呆板加工成形性。

  4)使役机能:为知足本质服役境况应用需求,增材创制金属质料需具有精良的使役机能,比方静/动态力学机能、耐腐化和抗氧化机能等,同时央求机能调控工艺尽也许简陋易操作。

  5)性价比:动作金属增材创制工夫基本,金属质料的性价比上下很大水平上断定该工夫最终能否正在火器设备零部件创制范围获得运用。所以,增材创制用金属质料的策画和制备该当研商合金原质料、粉末或丝材制备、增材创制工艺(如是否需特别回护或者辅助控温装备)、呆板加工、热照料工艺等全面合头的性价比 。

  火器设备苛刻的服役境况央求金属质料具有良好的比强度及抗报复、耐腐化、耐高温或耐磨损等机能。所以,策画和制备高机能金属质料是火器设备范围历久合心和磋商的热门。梯度质料、金属基复合质料、高熵合金等高机能金属质料的研发和运用明显增 加了火器设备的轻量化、防护抗回击和高效损伤等使役机能及服役寿命。比方,铝基复合质料正在活塞上的运用正在知足军用车辆轻量化策画的同时明显擢升了煽动机的功率和服役寿命;火箭煽动机燃烧室用高温合金/铜合金梯度质料(外层高温合金,衬里铜合金), 能同时保障外层的高温强度和衬里的导热散热需求。目前梯度质料、金属基复合质料、高熵合金等高机能金属质料紧要通过守旧冶炼锻制或者粉末冶金等办法制备。正在锻制进程中梯度质料和复合质料的结构、 组织和机能统制难度大,加强相易偏聚,而高熵合金易发作合金元素偏聚,首要影响质料和构件的力学机能和耐腐化机能等。其余,冶炼锻制和粉末冶金等办法难以创制庞大组织的梯度质料、复合质料和高熵合金质料。所以,探究梯度质料、金属基复合质料、高熵合金等高机能金属质料制备的新办法,对其正在火器设备运用和实行、擢升火器设备的归纳机能具有主要事理。

  近年来大宗磋商结果声明,金属增材创制工夫除能创制或修复庞大组织、同质质料零部件,还可用于制备高熵合金、梯度质料和复合质料等高机能金属质料 。温州大学采用电弧增材创制工夫、以绞股焊丝为原料告终了抗压强度为2.8 GPa、压缩塑性应变为41.8%的高熵合金 。德邦马普所通过调剂激光选区熔化增材创制层间中止工夫统制纳米标准析出相的数目,告成制备出具有大马士革刀显微结构特点的高强马氏体时效钢,抗拉强度正在 1300 MPa以上,断伸长率大于 10%。新加坡南洋理工大学采用激光增材创制工夫制备 TiC 颗粒加强 316L 奥氏体不锈钢,抗拉强度和投降强度区别达 1.03 GPa和 832 MPa, 同时断后伸长率坚持正在 29% 。与粉末冶金、冶炼锻制等守旧创制办法比拟,增材创制工夫能告终金属梯度质料和复合质料庞大结构和组织的可控策画和制备,能有用下降冶炼锻制制备进程中梯度或复合质料颗粒或纤维加强体重逢目标及高熵合金的元素偏析题目,显露出更良好的应用机能 。

  增材创制工夫能制备的梯度质料可分为同质和异质梯度质料。同质梯度质料是增材创制采用相通原料,通过调剂工艺和组织策画参数,酿成显微结构特点或宏观组织尺寸呈梯度分散的单相质料,蕴涵固溶元素、晶粒尺寸、晶体取向、点阵组织梯度及其羼杂型梯度质料,如图5a~d所示 。固溶元素梯度质料是通过调剂增材创制回护气的羼杂比例,酿成基体物相品种相通、固溶气体元素含量呈梯度分散的质料(如高氮钢增材创制进程中,调剂氩气中氮气的比例)(图 5a)。晶粒尺寸和晶体取向梯度质料是通过调剂增材创制工艺参数(热输入、扫描途径、扫描速度等),制备晶粒尺寸、晶体取向吐露梯度分散的质料(图 5b、c)。显然晶粒尺寸和晶体取向特点与增材创制工艺间的对应合联,告终增材创制固结进程中晶体滋长和热轮回效率下再结晶手脚的统制,是晶粒尺寸和晶体取向梯度质料增材创制的合头。点阵组织梯度质料是通过组织策画,用增材创制工夫制备的点阵组织尺寸呈梯度分散的质料(图 5d)。点阵组织梯度质料组织的转化正在增材创制进程中易惹起应力分散转化,变成片面应力聚会,导致组织变形以至开裂,下降质料的承载才干。所以,点阵组织梯度质料的组织策画优化及增材创制应力和变形统制万分合头。

  异质梯度质料是增材创制进程中通过调剂增材创制工艺、两种及以上粉末或丝材的送粉速度或送丝速率,制备合金元素或第二相呈梯度分散的相质料, 蕴涵接连型因素、阶梯型因素、难熔颗粒和易熔颗粒梯度等类型,如图5e~h所示 。接连型和阶梯型因素 梯度质料是增材创制进程中调剂两种及以上粉末或丝材的送粉速度或送丝速率,制备合金元素呈梯度分散的众相质料,如图 5e、f所示。接连型和阶梯型的区别正在于前者是正在增材创制进程中渐渐调剂两种及以上粉末或丝材的送粉速度或送丝速率,酿成的众相间合金因素梯度平缓,而阶梯型是保障冶金状况下,正在增材创制进程中突变式地调剂两种及以上粉末或丝材的送粉速度或送丝速率,酿成的众相间合金因素梯度巍峨。难熔和易熔颗粒梯度质料是通过调剂增材创制进程中加强颗粒与基体粉末间的比例,制备难熔颗粒和易熔颗粒体积分数或尺寸梯度分散的质料,两者区别正在难熔颗粒梯度质料用的颗粒正在热源下不熔解、与基体产生反映,而易熔颗粒梯度质料的颗粒会熔解、与基体产生反映,如图5g、h所示 。

  增材创制工夫能制备的金属基复合质料蕴涵层状、颗粒加强、短纤维加强、仿生复合质料及这些复合质料的组合等。图6为增材创制金属基复合质料示贪图。层状复合质料是正在增材创制进程中通过力学机能或性能差异的众种质料瓜代浸积,制备出兼具众种 质料力学机能和性能的复合质料(图 6a)。颗粒或短 纤维加强复合质料是通过向金属粉末中直接羼杂颗粒状或短纤维状加强体粉末或应用增材创制进程中的冶金反映原位天生颗粒或短纤维加强体,制备出颗粒状或短纤维状加强体弥散分散的复合质料(图 6b、 c)。仿生复合质料是师法自然生物质料组织、采用增材创制工夫制备的具有分级、分层、众孔等组织的复合质料(图 6d)。上述采用增材创制工夫制备的金属基复合质料,基体也可策画和制备成梯度质料。

  除了制备高机能金属质料,增材创制工夫还可动作金属质料高通量策画和优化的用具 。守旧火器设备金属质料研制以“体验指引试验”的试错法为主,通过策画和制备大宗差异因素的样品,涉及冶炼、锻制、 轧制、热照料等工艺合头,通过组织外征和机能测试对合金因素优化,耗费大宗的工夫、人力和物资,难以知足优秀火器设备对高机能金属质料的急迫需求。所以,告终高机能金属质料研制进程中因素高效、牢靠、 经济策画和优化,对火器设备的火速繁荣万分合头。金属增材创制工夫的显示为火器设备新质料的因素策画、火速制备和优化供给新思绪和新办法。以激光熔化浸积增材创制为例,通过医治众种原料(金属粉或者丝材)的羼杂比例,正在增材创制热源下熔化产生冶金反映,告终差异合金因素的高通量策画和制备, 有用裁汰新质料研发进程中的人工、质料等进入,缩短研发周期。图7为基于激光熔化浸积增材创制的金属质料高通量制备道理示贪图。德邦马普所Raabe团队采用激光同轴送粉增材创制工夫,通过连续补充 Al 粉送粉速度调剂与 Fe-19Ni 合金粉末的比例,火速制备了 Al 的质地分数为 0~25% 的 Fe-19Ni-xAl 超高强钢质料,通过显微结构观望和硬度测试,确定了 Al 含量的临界值,告终了激光增材创制用 Fe-19Ni-xAl 超 高强钢粉末的火速策画和优化 。

  上述高熵合金、梯度质料和复合质料等高机能质料的增材创制和运用不光希望擢升火器设备抗报复、 耐磨损和轻量化等归纳机能,并且这种基于增材创制工夫的质料策画和制备理念对他日火器设备质料策画和机能调控有主要的外面指引事理。然而,目前因为增材创制专用金属质料缺乏和配置成形尺寸及精度等要素的局部,金属增材创制工夫仅能告终个别中小尺寸的梯度质料和复合质料的制备,用于金属质料高通量策画和优化也仍处于试验室磋商阶段。其余,对异质梯度质料和复合质料,差异质料间熔点、热导率、热膨胀系数等热物机能的分歧及脆性金属间化合物的酿成补充了增材创制的难度 。所以,正在他日磋商中面向火器设备范围高机能质料的需求,展开基于增材创制工夫的高机能金属及其复合质料策画、制备及结构机能调控和评议的磋商,有助于扩展增材创制工夫的运用边界、擢升火器设备金属质料研发才干。

  为保障应用时的尺寸和机能央求,金属增材创制构件的“控形、控性”万分合头。“控形”紧要蕴涵构件变形、开裂、组织尺寸和样子等,“控性”紧要通过显微结构和组织调控保障最终构件的使役机能,涉及晶粒巨细、织构、偏析水平、第二相尺寸、孔隙率或致密度、缺陷特点和相变次序等。目前金属增材创制构件的 “控形、控性”质地评议采用的形式紧要是增材创制告终后,通过无损或损坏性检测对尺寸规格和机能实行测试和评估。一朝构件显示首要的尺寸差错、变形和内部缺陷,要是无法修复,则全面构件将报废,变成质料、人工和工夫浪掷,特别是对大型庞大金属构件。所以,告终大型庞大金属构件增材创制进程中的宏观组织和显微结构特点等消息的感知、预测和统制,有助于火器设备增材创制零部件的“控形、控性”、下降质料和人工本钱。

  近年来模仿仿真工夫正在增材创制磋商中的运用和繁荣,为金属增材创制进程宏观组织和结构演变特点的预测和统制供给了新办法和途径。以激光熔化浸积增材创制工夫为例,通过数值模仿谋略磋商金属增材创制进程中气体-粉末流场特点、熔池传热传质进程次序、非均衡固结和固态相变结构特点及构件的应力和变形次序,征战金属质料合金元素、增材创制工艺与微观结构特点、应力和变形间的对应合联,显然增材创制构件显微结构特点、应力和变形的统制要素,从质料、增材工艺和组织策画等方面酿成结构特点、应力和变形的调控办法。但因为增材创制热-力进程及模仿仿真宏微观耦合的庞大性,目前增材创制的模仿仿真仍处于试验室基本磋商阶段,大个别使命仍是对增材创制进程定性或半定量描写,模仿仿真结果与本质增材创制宏观组织和显微结构特点仍存正在较大分歧, 正在本质增材创制组织和结构预测和统制中尚未充沛发扬预期效率,来日仍需面向本质金属增材创制特点展开进一步的基本外面和运用磋商。图8为金属激光熔化浸积增材创制模仿仿线 金属激光熔化浸积增材创制模仿仿线 金属增材创制构件的质地检测和评议

  金属增材创制构件质地利害直接断定火器设备的机能和寿命,增材创制金属构件质地检测和评议万分合头。如 3.1节所述,金属增材创制成形次序、显微结构、缺陷特点及对应的力学机能与守旧创制工艺差异,补充了零部件结构特点决断、缺陷识别和评级、机能测试和失效认识等质地检测和评议的难度 。如激光增材创制的金属点阵组织具有良好的缓冲吸能效率,正在坦克防护装甲和舰船组织水下抗爆方面具有潜正在运用前景。金属点阵组织内部缺陷采用向例检测办法易漏检,且增材创制积聚界面临超声等信号存正在首要的散射效率,影响缺陷识别 。目前增材创制金属点阵组织检测紧要依赖于CT,导致检测和运用本钱较高。所以,告终增材创制庞大金属零部件质地的火速、牢靠检测和评议,酿成面向火器设备运用的增材创制零部件质地检测和评议规范系统,对他日火器设备增材创制零部件服役的牢靠性和平安性至合主要。

  跟着火器设备零部件组织大型化和庞大化的繁荣,对增材创制工夫的成形尺寸和功用、创制精度和性价比提出了更高央求。一方面,大型庞大金属构件的研制和分娩正在保障精度和质地的同时央求具有较高成形功用,但目前火器设备零部件采用的金属增材创制工夫难同时统筹成形功用和精度。如激光选区熔化增材创制工夫具有较高的成形精度,但成形功用低、创制的构件尺寸受到惰性空气舱室局部,实用于小尺寸庞大构件的创制。电弧增材创制工夫成形功用高,能创制大尺寸构件,但成形精度低,需呆板加工保障尺寸和样子精度,紧要用于大型较庞大构件的完全创制 。另一方面,爆炸、报复、湿热等苛刻的服役境况央求火器设备零部件具有良好的静动态力学和耐腐化等机能。即使少个别增材创制金属零部件的机能靠近以至优于锻件,但大个别仍处于锻件水准以下,难以知足火器设备正在特别境况服役需求 。其余,为知足火器设备运用和列装需求,零部件创制工夫需具有精良的性价比,而目前金属增材创制工夫采用的丝材和粉末质料及配置本钱较高,正在肯定水平上局部了其正在火器设备庞大零部件创制范围的运用和推 广。所以,开辟大型庞大金属构件高功用、高精度、高 机能、高性价比的增材创制工夫,关于火器设备组织轻量化、强防护和高损伤繁荣具有主要的军事事理。

  近年来,金属增减材创制工夫的繁荣使火器设备庞大金属构件高功用、高精度创制成为也许,受到邦外里寻常合心和磋商 。金属增减材创制工夫是正在增材创制进程中引入铣削、磨掷等守旧呆板加工工艺,对已成形构件实行去除加工,能保障构件内孔、封锁空间内壁等外观的质地和精度。金属增减材创制工夫不光具有增材创制的成形速率速、质料应用率高和庞大组织易成形等上风,还兼具呆板加工高质地和高精度等益处 。此中具有代外性的是电弧增减材创制工夫, 具有浸积功用高、质料应用率高、本钱低和零件尺寸局部小等特质。其余,增材创制进程中锻制或轧制、高能超声等辅助工艺的引入明显提升了金属零部件的机能 。所以,变形或超声辅助电弧增减材创制工夫是大型火器设备零部件高功用、高精度、高性价比增材创制主要的繁荣偏向之一。

  目前邦外里火器设备零部件创制采用的金属增材创制工夫紧要是3D打印,即通过逐层积聚格式创制出所需样子的组织件,重视组织件的样子和力学机能,其样子、机能和性能央求平静 。近年来,4D 打印工夫获得火速繁荣,已成为增材创制工夫的主要繁荣偏向。与 3D 打印比拟,4D 打印正在三维空间引入了工夫维度,通过对质料和组织主动策画和创制,使构件组织、机能和性能正在空间和工夫维度上能可控转化 。4D打印构件组织、机能和性能的可控转化为优秀火器设备的研发供给了新思绪。如美邦邦度航空航天局提出智能变体飞机的策画构念,即飞机的外形能随外界境况发作自符合转化,正在巡航、腾飞、着陆和旋绕时区别变形至差异样子,从而更改飞机的机动性、速率和航程 。这种构念同样实用于无人机和两栖无人平台等火器设备的策画和创制。通过 4D 打印告终火器设备金属构件的组织和性能策画和创制,正在疆场瞬息万变的条款下,组织、性能能相应产生转化,擢升火器装 备的长途作战、境况符合和高糊口才干,比方两栖无人平台通过样子转化调剂机动性和续航才干、发作“拟态”伪装和符合水陆两栖境况。然而,目前能用于 4D 打印工夫的金属质料品种较少,仅限于 Ni-Ti 基样子追忆合金和Cu基样子追忆合金等少数几种金属质料, 告终的性能紧要是温度效率下构件样子转化,尚处于情景演示阶段 。为告终金属 4D 打印工夫正在优秀火器设备的运用,他日需环绕 4D 打印质料研制、工艺 和配置开辟,以及面向火器设备的金属构件组织-性能策画和评估等方面展开深远的磋商。

  金属增材创制工夫为火器设备的轻量化、强防护、 高损伤、消息化和智能化繁荣供给了新思绪和新契机, 目前已运用于火器设备特种钢、铝合金、钛合金、高温合金、镁合金和难熔金属等庞大零部件的完全火速创制和修复,大幅度擢升了火器设备的归纳机能、缩短了研制分娩和维持保护周期。其余,金属增材创制工夫 告成告终了高熵合金、梯度质料和复合质料等高机能金属质料的策画和制备,正在火器设备耐高温、抗报复、 组织轻量化等范围具有开朗的运用前景。但目前金属增材创制工夫面对专用高机能金属质料品种有限、创制尺寸和精度及功用难以兼得、增材创制进程感知预测和统制缺乏、增材创制构件质地检测和评议规范不美满等瓶颈题目,首要限制其正在优秀火器设备的运用和实行历程。所以,他日需针对金属增材创制工夫的瓶颈题目展开进一步的基本和运用磋商使命,冲破金属增材创制质料、工艺、检测和机能调控等方面的合头科学或工夫题目,主动繁荣4D打印等优秀金属增材创制工夫新外面和新办法,美满火器设备零部件金属增材创制工夫全流程资产链和规范样板系统,为优秀火器设备的研制、分娩、运转和维持供给有力工夫支持和保护。

(编辑:小编)

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