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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

  摩登7注册摘要 金属增材创制身手能告竣庞杂体式金属构件的疾捷全部创制,已成为高职能火器设备庞杂构件安排和创制的新步骤。本文综述了火器设备创制采用的金属增材创制步骤及特性,遵从原料分类罗列了金属增材创制身手正在火器设备创制规模典范的利用案例。正在领悟近况的根柢上,预测了金属增材创制身手正在火器设备规模异日的繁荣趋向。

  随火器设备轻量化、强防护、高损伤、音信化和智能化的繁荣,其零部件构造和性能逐步呈构造性能庞杂化和众样化,古代的锻制、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身手的疾捷繁荣为火器设备庞杂构件的创制和修复供应了新 步骤 。比拟于古代创制工艺,金属增材创制身手无需模具,能裁汰创制工序、缩短创制周期,且能告竣庞杂构件的轻量化、构造一体化安排和创制 。

  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身手和特点,概述金属增材创制身手正在火器设备创制规模的利用近况,正在领悟目前金属增材创制身手利用进程中存正在题目的根柢上,对金属增材创制身手正在火器设备利用的繁荣趋向举办预测。

  金属增材创制身手是以金属丝材、棒材或粉末等为原料,通过烧结、熔融、喷射等办法按模子离散后预订的道途逐层堆集,告竣构件全部成形的进步创制身手 。目前邦外里火器设备研制紧要采用的金属增材创制身手搜罗激光、电弧、电子束、冷喷涂、搅拌摩擦增材创制身手等,分类和管事道理如图1所示。

  激光增材创制身手以高能激光为热源,正在惰性气体包庇下熔化粉末或丝材,逐层堆集,告竣零部件的直 接成形。激光增材创制身手搜罗激光-粉末增材创制和激光熔丝增材创制两种,个中激光-粉末增材创制身手分为激光选区熔化增材和激光同轴送粉增材创制。与其他增材创制身手比拟,激光增材创制身手特别是激光选区熔化增材创制身手成形精度高,实用于火器设备庞杂精致构造零部件的全部创制。但激光选区熔化增材创制身手受限于惰性气体舱室尺寸和修筑、粉末本钱,不实用大尺寸庞杂构件的疾捷、经济创制。其它,因为铝合金等原料导热性强,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露裂纹和气孔等缺陷 。与激光-粉末增材创制身手比拟, 激光熔丝增材创制身手浸积速度疾,原料使用率高、本钱低,增材构件致密度高,且丝材易储存,但不实用于精致构造的零部件和丝材难制备的金属原料。

  电子束增材创制身手以高能量密度电子束为热源,正在真空境遇下将金属丝材或粉末等填充原料熔化, 遵从预先计划的旅途浸积,创制出金属零部件或毛坯 。与激光增材创制身手比拟,电子束增材创制身手浸积速度疾,能创制难熔金属。因为正在真空境遇下举办,不但能避免原料受氧、氢和氮的污染,且对金属具有真空熔用,所以电子束增材创制身手能知足钛合金等高温下万分活动的金属增材创制需求。其它,正在后续金属堆集前,电子束能疾捷正在已堆集金属轮廓扫描,对其预热,低浸增材创制进程中的糟粕应力和变形。与电子束选区熔化粉末增材创制身手比拟,电子束熔丝增材创制身手浸积服从疾、构件致密度高、原料本钱低、使用率高,实用于大型构件的疾捷创制。但因为电子束雀斑小、能量纠集,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匀称性差而偏离电子束雀斑区域时,易酿成增材创制进程停滞。

  电弧熔丝增材创制身手(以下称为“电弧增材创制身手”)以金属丝材为填充物,通过电弧将丝材熔化,遵从设定的道途逐层堆集,告竣金属构件的全部成形。与电弧焊靠近似,电弧增材创制身手依照电极类型可分为熔化极和非熔化极电弧增材创制身手。个中,非熔化极电弧增材创制身手搜罗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身手比拟,电弧增材创制身手不易形成未熔合等缺陷,创制服从高, 原料使用率高,丝材和修筑本钱低,实用于大型、较庞杂火器设备构件的全部疾捷创制。但与激光或电子束粉末基增材创制比拟,电弧增材创制身手创制精度较低,需后续板滞加工,难告竣庞杂精致构造零部件的创制。其它,电弧增材创制身手不实用于塑性变形才干差、难以制备成丝材的金属原料。

  冷喷涂增材创制身手将金属粉末或金属/非金属混淆粉末以超音速喷射到基体轮廓,粉末与基体碰撞后产生塑性变形并黏附正在基体轮廓,逐层堆集变成构件实体 。正在冷喷涂增材创制进程中粉末未熔化,仅靠动能黏附堆集成块体。冷喷涂增材创制身手具有浸积速度高、糟粕热应力较低、原料不易氧化等利益,实用于易氧化、热安宁性差的金属原料,比如镁合金 。然而金属原料冷喷涂增材创制进程中易显露孔洞,金属颗粒间为板滞联结,联结力小,导极力学职能、耐蚀性难以知足目的需求,必要对增材构件举办热等静压等后处罚 。目前冷喷涂增材创制身手紧要利用于武 器设备构件的轮廓改性和修复 。

  搅拌摩擦增材创制身手通过板滞摩擦形成的热量将金属粉末或棒材原料加热到热塑性形态,逐层堆集形成冶金联结,告竣构件的全部疾捷成形 。搅拌摩 擦增材创制进程不涉及金属原料熔化,是固态增材创制成形工艺。与其他熔化型增材创制身手比拟,搅拌摩擦增材创制身手糟粕应力小、致密度高、气孔等缺陷敏锐性低,构制微细,具有更良好的力学职能和耐蚀性。其它,搅拌摩擦增材创制身手管事前提为怒放的大气境遇,不受粉末床或真空编制尺寸和管事前提的范围,能用于大型火器设备构件的全部创制,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身手因为创制精度低和热源热量有限等道理,难告竣庞杂、精致构造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身手正在火器设备的利用和扩张。外洋以美邦为代外针对增材创制身手正在邦防规模的利用协议了一系列战术计划,2016年美邦邦防部宣布了《增材创制身手道途图》,领悟邦防对增材创制身手的需求,周密阐发了安排、原料、工艺和代价链等身手规模的繁荣目的 。2017 年美邦水师宣布了《水师增材创制履行布置》,确定增材创制身手的恒久繁荣目的。为促使增材创制正在舰船上的应 用,2018 年又宣布了《水师增材创制布置》,新增了舰船增材创制实质,以扩展海上保险才干。美邦空军提出增材创制打印战术计划,先容空军增材创制的枢纽身手、繁荣战略和目的,生气异日确立环球创制收集, 以告竣按需打印流程,低浸本钱、有用普及队伍乖巧性。美邦陆军正在邦防部增材创制身手道途图根柢上细化了规模央求,协议了陆军增材创制身手道途图,先容增材创制身手正在陆军维修与保险、新部件/编制的购买及安置和远征等规模的利用需乞降目的。2021 年美 邦邦防部宣布了《增材创制战术》,先容增材创制身手的内在及其对邦防战术的影响意思,周密描写了增材创制中心繁荣规模和旅途计划,提出异日的繁荣对象 。我邦2015年宣布了《中邦创制2025》战术计划, 将增材创制等进步创制身手举动中心繁荣对象。2017 年工信部等十二部分印发了《增材创制家当繁荣行为布置(2017—2020年)》,显着增材创制家当繁荣目的, 先容了增材创制繁荣中心工作和保险办法等。2020 年,我邦推出了《增材创制圭臬领航行为布置(2020 —2022年)》,提出到2022年,基础确立驻足邦情、对接邦际的增材创制圭臬系统。过程数十年的疾捷繁荣, 金属增材创制身手已利用于邦外里火器设备的研制、 临蓐和修复规模,极大缩短了庞杂零部件研制和修复周期,降制和维修本钱,扩展构造安排和创制的自正在度,擢升了火器设备的归纳技战才干。目前金属增材创制身手用于火器设备零部件创制和修复涉及的原料品种搜罗特种钢、钛合金、铝合金、高温合金、镁合金和难熔合金等。

  2019 年 2 月,美邦陆军实行室用激光选区熔化增材创制身手凯旋打印艾布拉姆斯 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用电弧增材创制告竣高强钢炮弹壳体的全部 创制和利用 。

  沈阳飞机安排考虑所和北京航空航天大学告竣了超高强钢A100飞机升降架的激光增材创制,并领先试用 。2018 年中邦火器科学考虑院宁波分院采用电弧增材创制身手告竣了火器设备耐热钢头锥的全部创制,顺手通过装机查核。南京理工大学使用电弧增材创制身手告竣了超高强钢炮弹弹体的全部创制。

  2019 年美邦通用动力陆地编制公司与通用增材创制公司团结告竣了钛合金电缆护罩的全部创制,凯旋代替了美邦陆军地面战车正本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身手创制了 F-22 战争机接头、F-18 战争机翼根巩固筋和升降架相联杆,已装机应用。个中,F-22 的接头件抵达央求疲钝寿命的 2 倍以上,翼根巩固筋抵达央求疲钝寿命的4倍以上,升降架连杆疲钝寿命进步原件的 30%。其它,AeroMet 公司采用激光增材创制身手对军用直升机破损的钛合金构件举办了修复。英邦 BAE 公司和克兰菲尔德大学合功用电弧增材身手创制了台风GR4战争机钛合金机翼大梁 。

  王华明打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职能把持枢纽身手, 创制出大型钛合金主承力框,凯旋将正本众个板滞相联构造优化为一个全部部件,已正在某型号战争机上获得利用。巩水利等采用电子束熔丝增材创制的钛 合金零件已利用于某型号战争机。鑫精合团队通过激光浸积增材创制身手创制出高温钛合金产物已正在某飞机型号上获得装机利用。

  2016 年美邦水师用增材创制身手制备出新型铝合金相联器底壳,管理导弹相联器断裂的同时大幅缩短安排和创制周期。2020 年美邦 Meldmanufacturing 公司用搅拌摩擦增材创制告竣了直径为3.05 m的铝合金零件全部创制,目前正正在展开第 5 代和异日战机铝合金构件搅拌摩擦增材创制修复身手的考虑。

  2017 年起中邦火器科学考虑院宁波分院先后用电弧增材创制身手打印了火炮炮架、导弹舱体和支架等庞杂铝合金构件,通过装机查核和利用,正在告竣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身手创制竣事了全邦上首件10 m级高强铝合金重型运载火箭相联环样件。

  2017 年法邦 SAFRAN 集团采用激光选区熔化增材创制身手创制了镍基合金涡轮喷嘴,代替正本的铬镍铁合金铸件,凯旋将正本的 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团结采用增材创制身手打印了 AR1 火箭策划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 策划机部件比拟,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身手,凯旋临蓐出 TiAl合金叶片,已利用于GE9X策划机,比拟古代的镍基高温合金减质地50% 。2019年美邦Orbex公司用镍合金举动原原料,采用激光选区熔化增材创制身手打印出小型火箭策划机,构造裁汰质地30%,能继承绝顶的温度和压力震动。与古代板滞加工比拟,创制期间缩短90%, 本钱俭朴50%以上 。美邦空军和GE公司以钴铬合金为原料,用激光增材创制告竣了 F-15 和 F-16 战争 机F110喷气策划机油底壳的创制。

  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 年美邦陆军实行室通过优化激光选区熔化增材创制,告竣了稀土镁合金微晶格构造创制,对压缩活动和断裂形式举办考虑 ,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利用展开演示验证。

  2019 年德邦马普所打破了纯钨的激光选区熔化增材创制工艺,凯旋打印了用于磁桎梏核聚变装备的纯钨蜂窝状构造 。2020 年美邦橡树岭邦度实行室用电子束增材创制告竣 TiC 加强钼基复合原料制备, 能继承绝顶温度,适合正在航空航天高温境遇应用 。

  金属增材创制身手的繁荣和利用为庞杂金属构件的创制和修复供应了新工艺,与古代创制工艺有用互补,为进步火器设备庞杂零部件的安排、创制和服役供应了身手撑持和保险。但目前金属增材创制身手利用于火器设备零部件创制和修复时正在原料、工艺和修筑、构制构造和职能、质地检测和评判等方面仍面对很众题目和挑衅。图2为火器设备金属增材创制身手繁荣趋向。异日需进一步展开相应的根柢和利用考虑,简直实质如下。

  激光、电子束和电弧等熔化型增材创制是疾捷加热和冷却进程,正在庞杂的热-力轮回功用下变成与古代创制工艺区别的显微构制和缺陷特点。图3为电弧增材创制凝集构制特点和典范缺陷示企图。

  开始,正在高温热源功用下,合金元素烧损导致增材创制堆集体全部合金元素偏离目的因素;正在金属增材创制凝集进程中溶质元素再分拨惹起偏析,导致增材创制堆集体个人合金元素偏离目的因素,全部和个人合金元素含量偏离影响构件的应用职能。其次,正在金属增材创制进程中,熔体活动性和轮廓氧化直接影响成形性和缺陷敏锐性。其它,正在增材创制众层众道堆集形成的“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”应力轮回功用下,增材创制构件易形成凝集裂纹、再热裂纹、液化裂纹等缺陷。所以,用于增材创制的金属原料因素安排需填塞思考合金元素烧损、偏析、熔体活动和氧化、热-力轮回等冶金进程的影响。然而,目前金属增材创制身手应用的很众金属粉末、丝材原料往往用与铸锻件好像的因素,未思考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,导致很众金属原料的增材创制成形性差、缺陷敏锐性高、职能低下(纵然过程热处罚),难以知足高职能火器设备构件创制和服役的需求。目前各类金属原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轮廓氧化急急,导致构件中易形成搀杂 。与变状态或者变形热处罚态比拟,增材创制的超高强钢构制粗大,偏析急急,强韧性较低,需热处罚改正强韧性 。但为得到杰出的强韧性结婚,超高强钢热处罚工艺庞杂,且增材创制合金元素偏析扩展了热处罚难度。如激光增材创制二次硬化超高强钢堆集态下强塑性较低,需举办热处罚,将堆集体正在 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,油冷至室温后随即疾冷到-73 ℃,安顿1 h;结果正在482 ℃回火 5 h,热处罚工艺万分庞杂,扩展能耗和期间本钱的同时,扩展了工艺把持难度 。其它,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偏向大。

  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包庇。其它目前的钛合金系统增材创制进程中变成柱状晶的偏向大,导极力学职能各向异性 。

  3)铝合金:铝合金从液相到固相时,氢的融化度呈阶跃式低浸。所以,铝合金正在增材创制凝集进程中氢洪量析出,加上铝合金凝集速率疾,导致氢来不足逸出,易产朝气孔缺陷 。因为铝合金热导率大,增材创制进程中散热疾,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,易形成热裂纹缺陷,特别是高强铝合金 。其它,由于铝合金氧化偏向大,电弧增材创制进程中轮廓变成氧化膜,正在后续的众层众道堆集进程中,假设氧化膜来不足上浮,容易残留正在熔敷金属层与层、道与道之间,扩展堆集体中杂质含量 。对待高 合金含量的铝合金,一方面正在增材创制凝集进程中因为溶质元素再分拨,显露急急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功用下易惹起液化裂纹;另一方面高含量合金元素的增加增加了铝合金固液两相区,凝集裂纹偏向扩展。

  4)高温合金:高温合金正在增材创制进程中易变成未熔合、金属蒸汽孔洞等缺陷,与热输入巨细亲密合联 。另一方面,高温合金因为含有洪量合金元素, 增材创制凝集进程中固液两相存正在温度区间宽,正在热应力功用下易形成凝集裂纹。高温合金增材创制凝集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形成粗大的初生相 。正在后续增材创制热轮回疾热疾冷功用下,杂质元素偏析和初生相惹起枝晶间或晶界形成液化裂纹 。

  5)镁合金:镁合金蒸发温度低、蒸汽压高、氧化偏向大,正在激光、电弧等热源下易蒸发,变成未熔合孔洞和气孔等缺陷,致密度低,且易被氧化形成搀杂 。对合金含量高的镁合金,增材创制进程中还易变成偏析和粗大的初生相 。缺陷、偏析和初生相的变成低浸增材创制镁合金的力学职能 。其它,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,易变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必要对基板举办高温预热处罚。德邦马普所考虑结果外白,为得到高致密度,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扩展了增材成形性和质地把持难度,同时也对增材设 备提出了更高央求。

  从上述领悟可能看出,针对火器设备金属零部件创制和利用需求,展开增材创制专用金属原料安排和制备的考虑,确立增材创制成形性和使役职能杰出的金属原料系统和制备工艺楷模,对金属增材创制身手正在火器设备的利用和扩张具有主要意思。近年来,邦外里缠绕增材创制专用金属原料赓续展开了极少考虑,获得了打破性进步 。澳大利亚墨尔本皇家理工大学安排了新型 Ti-Cu 合金,正在激光增材创制疾捷凝集进程中能变成等轴、超细晶构制,降服了 Ti-6Al- 4V 等钛合金激光增材创制进程中易变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考虑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原料,有用管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,通过企图和试验考虑安排制备了裂纹敏锐性低的增材创制用高温合金粉末 。中邦火器科学考虑院宁波分院基于电弧增材创制冶金特点先后 安排和研制了高职能铝合金 、耐热钢和(超)高强钢丝材,管理了铝合金增材创制缺陷敏锐、耐热钢构制安宁性和(超)高强钢 强韧性调控等枢纽题目,合联产物已凯旋利用于火器、航天等规模大型庞杂金属构件的全部创制。假使目前增材创制专用金属原料研制受到体贴,但原料品种简单,大局部担事仍处于实行室考虑、片面品种原料处于小批量试制阶段,尚无法知足增材创制身手正在火器设备创制规模的利用和扩张需求。金属原料是否实用于增材创制目前尚无显着的讯断圭臬和凭据。

  依照金属增材创制冶金进程、工艺特点和利用需求,增材创制用金属原料研制需思考的要素如图 4 所示。简直搜罗:

  1)增材创制成形性:用于增材创制的金属原料系统开始要具有杰出的增材创制成形性,搜罗缺陷敏锐性、熔体活动成形性、尺寸精度和轮廓质地等 。对电弧增材创制用丝材合金遴选和安排还需思考增材创制进程中轮廓氧化和脱渣等成形题目,避免众层众 道连气儿堆集进程中前一道熔覆金属轮廓氧化皮残留, 惹起电弧漂移及夹渣和搀杂等题目。

  2)粉末或丝材制备成形性:增材创制用金属原料需具有杰出的粉末和丝材成形性,量度目标搜罗粉末和丝材尺寸体式及匀称性、杂质含量、内部缺陷及原料使用率等。

  3)增材创制堆集体板滞加工职能:目前金属构件增材创制后往往需板滞加工保障尺寸和体式精度,所以用于增材创制的金属原料系统遴选和安排时应试虑原料的板滞加工成形性。

  4)使役职能:为知足本质服役境遇应用需求,增材创制金属原料需具有杰出的使役职能,比如静/动态力学职能、耐腐化和抗氧化职能等,同时央求职能调控工艺尽恐怕简便易操作。

  5)性价比:举动金属增材创制身手根柢,金属原料的性价比崎岖很大水准上裁夺该身手最终能否正在火器设备零部件创制规模获得利用。所以,增材创制用金属原料的安排和制备应当思考合金原原料、粉末或丝材制备、增材创制工艺(如是否需卓殊包庇或者辅助控温装备)、板滞加工、热处罚工艺等通盘合键的性价比 。

  火器设备苛刻的服役境遇央求金属原料具有良好的比强度及抗冲锋、耐腐化、耐高温或耐磨损等职能。所以,安排和制备高职能金属原料是火器设备规模恒久体贴和考虑的热门。梯度原料、金属基复合原料、高熵合金等高职能金属原料的研发和利用明显增 加了火器设备的轻量化、防护抗抨击和高效损伤等使役职能及服役寿命。比如,铝基复合原料正在活塞上的利用正在知足军用车辆轻量化安排的同时明显擢升了策划机的功率和服役寿命;火箭策划机燃烧室用高温合金/铜合金梯度原料(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。目前梯度原料、金属基复合原料、高熵合金等高职能金属原料紧要通过古代冶炼锻制或者粉末冶金等步骤制备。正在锻制进程中梯度原料和复合原料的构制、 构造和职能把持难度大,加强相易偏聚,而高熵合金易形成合金元素偏聚,急急影响原料和构件的力学职能和耐腐化职能等。其它,冶炼锻制和粉末冶金等步骤难以创制庞杂构造的梯度原料、复合原料和高熵合金原料。所以,寻求梯度原料、金属基复合原料、高熵合金等高职能金属原料制备的新步骤,对其正在火器设备利用和扩张、擢升火器设备的归纳职能具有主要意思。

  近年来洪量考虑结果外白,金属增材创制身手除能创制或修复庞杂构造、同质原料零部件,还可用于制备高熵合金、梯度原料和复合原料等高职能金属原料 。温州大学采用电弧增材创制身手、以绞股焊丝为原料告竣了抗压强度为2.8 GPa、压缩塑性应变为41.8%的高熵合金 。德邦马普所通过调度激光选区熔化增材创制层间停滞期间把持纳米标准析出相的数目,凯旋制备出具有大马士革刀显微构制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身手制备 TiC 颗粒加强 316L 奥氏体不锈钢,抗拉强度和服从强度区分达 1.03 GPa和 832 MPa, 同时断后伸长率连结正在 29% 。与粉末冶金、冶炼锻制等古代创制步骤比拟,增材创制身手能告竣金属梯度原料和复合原料庞杂构制和构造的可控安排和制备,能有用低浸冶炼锻制制备进程中梯度或复合原料颗粒或纤维加强体团圆偏向及高熵合金的元素偏析题目,阐扬出更良好的应用职能 。

  增材创制身手能制备的梯度原料可分为同质和异质梯度原料。同质梯度原料是增材创制采用好像原料,通过调度工艺和构造安排参数,变成显微构制特点或宏观构造尺寸呈梯度散布的单相原料,搜罗固溶元素、晶粒尺寸、晶体取向、点阵构造梯度及其混淆型梯度原料,如图5a~d所示 。固溶元素梯度原料是通过调度增材创制包庇气的混淆比例,变成基体物相品种好像、固溶气体元素含量呈梯度散布的原料(如高氮钢增材创制进程中,调度氩气中氮气的比例)(图 5a)。晶粒尺寸和晶体取向梯度原料是通过调度增材创制工艺参数(热输入、扫描旅途、扫描速度等),制备晶粒尺寸、晶体取向显露梯度散布的原料(图 5b、c)。显着晶粒尺寸和晶体取向特点与增材创制工艺间的对应相合,告竣增材创制凝集进程中晶体成长和热轮回功用下再结晶活动的把持,是晶粒尺寸和晶体取向梯度原料增材创制的枢纽。点阵构造梯度原料是通过构造安排,用增材创制身手制备的点阵构造尺寸呈梯度散布的原料(图 5d)。点阵构造梯度原料构造的转化正在增材创制进程中易惹起应力散布转化,酿成个人应力纠集,导致构造变形以至开裂,低浸原料的承载才干。所以,点阵构造梯度原料的构造安排优化及增材创制应力和变形把持万分枢纽。

  异质梯度原料是增材创制进程中通过调度增材创制工艺、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散布的相原料, 搜罗连气儿型因素、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 。连气儿型和阶梯型因素 梯度原料是增材创制进程中调度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散布的众相原料,如图 5e、f所示。连气儿型和阶梯型的区别正在于前者是正在增材创制进程中逐步调度两种及以上粉末或丝材的送粉速度或送丝速率,变成的众相间合金因素梯度平缓,而阶梯型是保障冶金境况下,正在增材创制进程中突变式地调度两种及以上粉末或丝材的送粉速度或送丝速率,变成的众相间合金因素梯度高峻。难熔和易熔颗粒梯度原料是通过调度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散布的原料,两者区别正在难熔颗粒梯度原料用的颗粒正在热源下不融化、与基体产生反映,而易熔颗粒梯度原料的颗粒会融化、与基体产生反映,如图5g、h所示 。

  增材创制身手能制备的金属基复合原料搜罗层状、颗粒加强、短纤维加强、仿生复合原料及这些复合原料的组合等。图6为增材创制金属基复合原料示企图。层状复合原料是正在增材创制进程中通过力学职能或性能区别的众种原料瓜代浸积,制备出兼具众种 原料力学职能和性能的复合原料(图 6a)。颗粒或短 纤维加强复合原料是通过向金属粉末中直接混淆颗粒状或短纤维状加强体粉末或使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散布的复合原料(图 6b、 c)。仿生复合原料是照样自然生物原料构造、采用增材创制身手制备的具有分级、分层、众孔等构造的复合原料(图 6d)。上述采用增材创制身手制备的金属基复合原料,基体也可安排和制备成梯度原料。

  除了制备高职能金属原料,增材创制身手还可举动金属原料高通量安排和优化的器材 。古代火器设备金属原料研制以“体验指挥试验”的试错法为主,通过安排和制备洪量区别因素的样品,涉及冶炼、锻制、 轧制、热处罚等工艺合键,通过构造外征和职能测试对合金因素优化,花消洪量的期间、人力和物资,难以知足进步火器设备对高职能金属原料的要紧需求。所以,告竣高职能金属原料研制进程中因素高效、牢靠、 经济安排和优化,对火器设备的疾捷繁荣万分枢纽。金属增材创制身手的显露为火器设备新原料的因素安排、疾捷制备和优化供应新思绪和新步骤。以激光熔化浸积增材创制为例,通过调动众种原料(金属粉或者丝材)的混淆比例,正在增材创制热源下熔化产生冶金反映,告竣区别合金因素的高通量安排和制备, 有用裁汰新原料研发进程中的人工、原料等参加,缩短研发周期。图7为基于激光熔化浸积增材创制的金属原料高通量制备道理示企图。德邦马普所Raabe团队采用激光同轴送粉增材创制身手,通过连续扩展 Al 粉送粉速度调度与 Fe-19Ni 合金粉末的比例,疾捷制备了 Al 的质地分数为 0~25% 的 Fe-19Ni-xAl 超高强钢原料,通过显微构制参观和硬度测试,确定了 Al 含量的临界值,告竣了激光增材创制用 Fe-19Ni-xAl 超 高强钢粉末的疾捷安排和优化 。

  上述高熵合金、梯度原料和复合原料等高职能原料的增材创制和利用不但希望擢升火器设备抗冲锋、 耐磨损和轻量化等归纳职能,并且这种基于增材创制身手的原料安排和制备理念对异日火器设备原料安排和职能调控有主要的外面指挥意思。然而,目前因为增材创制专用金属原料缺乏和修筑成形尺寸及精度等要素的范围,金属增材创制身手仅能告竣局部中小尺寸的梯度原料和复合原料的制备,用于金属原料高通量安排和优化也仍处于实行室考虑阶段。其它,对异质梯度原料和复合原料,区别原料间熔点、热导率、热膨胀系数等热物职能的差别及脆性金属间化合物的变成扩展了增材创制的难度 。所以,正在异日考虑中面向火器设备规模高职能原料的需求,展开基于增材创制身手的高职能金属及其复合原料安排、制备及构制职能调控和评判的考虑,有助于扩展增材创制身手的利用规模、擢升火器设备金属原料研发才干。

  为保障应用时的尺寸和职能央求,金属增材创制构件的“控形、控性”万分枢纽。“控形”紧要搜罗构件变形、开裂、构造尺寸和体式等,“控性”紧要通过显微构制和构造调控保障最终构件的使役职能,涉及晶粒巨细、织构、偏析水准、第二相尺寸、孔隙率或致密度、缺陷特点和相变纪律等。目前金属增材创制构件的 “控形、控性”质地评判采用的形式紧要是增材创制完成后,通过无损或毁坏性检测对尺寸规格和职能举办测试和评估。一朝构件显露急急的尺寸过错、变形和内部缺陷,假设无法修复,则通盘构件将报废,酿成原料、人工和期间奢华,特别是对大型庞杂金属构件。所以,告竣大型庞杂金属构件增材创制进程中的宏观构造和显微构制特点等音信的感知、预测和把持,有助于火器设备增材创制零部件的“控形、控性”、低浸原料和人工本钱。

  近年来模仿仿真身手正在增材创制考虑中的利用和繁荣,为金属增材创制进程宏观构造和构制演变特点的预测和把持供应了新步骤和途径。以激光熔化浸积增材创制身手为例,通过数值模仿企图考虑金属增材创制进程中气体-粉末流场特点、熔池传热传质进程纪律、非平均凝集和固态相变构制特点及构件的应力和变形纪律,确立金属原料合金元素、增材创制工艺与微观构制特点、应力和变形间的对应相合,显着增材创制构件显微构制特点、应力和变形的把持要素,从原料、增材工艺和构造安排等方面变成构制特点、应力和变形的调控步骤。但因为增材创制热-力进程及模仿仿真宏微观耦合的庞杂性,目前增材创制的模仿仿真仍处于实行室根柢考虑阶段,大局部担事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构造和显微构制特点仍存正在较大差别, 正在本质增材创制构造和构制预测和把持中尚未填塞施展预期功用,来日仍需面向本质金属增材创制特点展开进一步的根柢外面和利用考虑。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判

  金属增材创制构件质地优劣直接裁夺火器设备的职能和寿命,增材创制金属构件质地检测和评判万分枢纽。如 3.1节所述,金属增材创制成形纪律、显微构制、缺陷特点及对应的力学职能与古代创制工艺区别,扩展了零部件构制特点讯断、缺陷识别和评级、职能测试和失效领悟等质地检测和评判的难度 。如激光增材创制的金属点阵构造具有良好的缓冲吸能功用,正在坦克防护装甲和舰船构造水下抗爆方面具有潜正在利用前景。金属点阵构造内部缺陷采用老例检测步骤易漏检,且增材创制堆集界面临超声等信号存正在急急的散射功用,影响缺陷识别 。目前增材创制金属点阵构造检测紧要依赖于CT,导致检测和利用本钱较高。所以,告竣增材创制庞杂金属零部件质地的疾捷、牢靠检测和评判,变成面向火器设备利用的增材创制零部件质地检测和评判圭臬系统,对异日火器设备增材创制零部件服役的牢靠性和安乐性至合主要。

  跟着火器设备零部件构造大型化和庞杂化的繁荣,对增材创制身手的成形尺寸和服从、创制精度和性价比提出了更高央求。一方面,大型庞杂金属构件的研制和临蓐正在保障精度和质地的同时央求具有较高成形服从,但目前火器设备零部件采用的金属增材创制身手难同时分身成形服从和精度。如激光选区熔化增材创制身手具有较高的成形精度,但成形服从低、创制的构件尺寸受到惰性氛围舱室范围,实用于小尺寸庞杂构件的创制。电弧增材创制身手成形服从高,能创制大尺寸构件,但成形精度低,需板滞加工保障尺寸和体式精度,紧要用于大型较庞杂构件的全部创制 。另一方面,爆炸、冲锋、湿热等苛刻的服役境遇央求火器设备零部件具有良好的静动态力学和耐腐化等职能。假使少局部增材创制金属零部件的职能靠近以至优于锻件,但大局部仍处于锻件程度以下,难以知足火器设备正在绝顶境遇服役需求 。其它,为知足火器设备利用和列装需求,零部件创制身手需具有杰出的性价比,而目前金属增材创制身手采用的丝材和粉末原料及修筑本钱较高,正在必然水准上范围了其正在火器设备庞杂零部件创制规模的利用和推 广。所以,开辟大型庞杂金属构件高服从、高精度、高 职能、高性价比的增材创制身手,对待火器设备构造轻量化、强防护和高损伤繁荣具有主要的军事意思。

  近年来,金属增减材创制身手的繁荣使火器设备庞杂金属构件高服从、高精度创制成为恐怕,受到邦外里通俗体贴和考虑 。金属增减材创制身手是正在增材创制进程中引入铣削、磨扔等古代板滞加工工艺,对已成形构件举办去除加工,能保障构件内孔、封锁空间内壁等轮廓的质地和精度。金属增减材创制身手不但具有增材创制的成形速率疾、原料使用率高和庞杂构造易成形等上风,还兼具板滞加工高质地和高精度等利益 。个中具有代外性的是电弧增减材创制身手, 具有浸积服从高、原料使用率高、本钱低和零件尺寸范围小等特性。其它,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普及了金属零部件的职能 。所以,变形或超声辅助电弧增减材创制身手是大型火器设备零部件高服从、高精度、高性价比增材创制主要的繁荣对象之一。

  目前邦外里火器设备零部件创制采用的金属增材创制身手紧要是3D打印,即通过逐层堆集办法创制出所需体式的构造件,珍视构造件的体式和力学职能,其体式、职能和性能央求安宁 。近年来,4D 打印身手获得疾捷繁荣,已成为增材创制身手的主要繁荣对象。与 3D 打印比拟,4D 打印正在三维空间引入了期间维度,通过对原料和构造主动安排和创制,使构件构造、职能和性能正在空间和期间维度上能可控转化 。4D打印构件构造、职能和性能的可控转化为进步火器设备的研发供应了新思绪。如美邦邦度航空航天局提出智能变体飞机的安排构想,即飞机的外形能随外界境遇形成自适宜转化,正在巡航、升起、下降和扭转时区分变形至区别体式,从而转变飞机的机动性、速率和航程 。这种构想同样实用于无人机和两栖无人平台等火器设备的安排和创制。通过 4D 打印告竣火器设备金属构件的构造和性能安排和创制,正在疆场瞬息万变的前提下,构造、性能能相应产生转化,擢升火器装 备的长途作战、境遇适宜和高生活才干,比如两栖无人平台通过体式转化调度机动性和续航才干、形成“拟态”伪装和适宜水陆两栖境遇。然而,目前能用于 4D 打印身手的金属原料品种较少,仅限于 Ni-Ti 基体式回忆合金和Cu基体式回忆合金等少数几种金属原料, 告竣的性能紧要是温度功用下构件体式转化,尚处于地步演示阶段 。为告竣金属 4D 打印身手正在进步火器设备的利用,异日需缠绕 4D 打印原料研制、工艺 和修筑开辟,以及面向火器设备的金属构件构造-性能安排和评估等方面展开深刻的考虑。

  金属增材创制身手为火器设备的轻量化、强防护、 高损伤、音信化和智能化繁荣供应了新思绪和新契机, 目前已利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杂零部件的全部疾捷创制和修复,大幅度擢升了火器设备的归纳职能、缩短了研制临蓐和维持保险周期。其它,金属增材创制身手 凯旋告竣了高熵合金、梯度原料和复合原料等高职能金属原料的安排和制备,正在火器设备耐高温、抗冲锋、 构造轻量化等规模具有雄伟的利用前景。但目前金属增材创制身手面对专用高职能金属原料品种有限、创制尺寸和精度及服从难以兼得、增材创制进程感知预测和把持缺乏、增材创制构件质地检测和评判圭臬不圆满等瓶颈题目,急急限制其正在进步火器设备的利用和扩张经过。所以,异日需针对金属增材创制身手的瓶颈题目展开进一步的根柢和利用考虑管事,打破金属增材创制原料、工艺、检测和职能调控等方面的枢纽科学或身手题目,踊跃繁荣4D打印等进步金属增材创制身手新外面和新步骤,圆满火器设备零部件金属增材创制身手全流程家当链和圭臬楷模系统,为进步火器设备的研制、临蓐、运转和维持供应有力身手撑持和保险。

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