La principal dirección de investigación de la tecnología de creación rápida de prototipos tridimensionales;
(2) Basado en una investigación en profundidad sobre el comportamiento tribológico "anormal" de piezas clave de fricción de motores aeronáuticos de alta relación de peso de empuje bajo alta temperatura y alta velocidad, un sistema que contiene el "nuevo material de revestimiento especial resistente al desgaste autolubricante de alta temperatura Cr-Ni-C de carbono ultra alto" con un contenido de carbono de hasta 9 ~ 12% ha sido exitoso utilizado en las piezas móviles clave resistentes al desgaste a altas temperaturas de un nuevo motor aeroespacial en mi país. Ganó el segundo premio de "Ciencia de Defensa Nacional"
(3) Basado en experimentos en profundidad. e investigación teórica sobre las características de crecimiento preferencial de los cristales metalúrgicos de fusión por láser sin contacto de aleación de titanio, se inventó la zona láser de aleación de titanio columnar de crecimiento direccional. Nuevas tecnologías para la preparación de materiales metalúrgicos de fundición limitada por fusión y formación directa por láser de piezas complejas como Las palas de los motores han mejorado la durabilidad a altas temperaturas de las aleaciones de titanio en más de 10 veces;
(4) Avances en piezas estructurales metálicas de alto rendimiento, como las aleaciones de titanio para aviones. Tecnologías clave para la creación rápida de prototipos con láser y procesos clave. tecnologías de equipos. Las partes estructurales clave del fuselaje de aleación de titanio BT20 pasaron la evaluación en tierra antes del vuelo de prueba de instalación y pasaron la evaluación de instalación, y están a punto de completar la instalación y aplicación reales combinando tres tecnologías avanzadas de preparación de aleaciones de alta temperatura, como ultra; -El refinamiento puro, la solidificación direccional y la solidificación rápida con tecnología de formación rápida por láser se combinaron orgánicamente para proponer una nueva idea de estructura de gradiente microcolumnar radial ultrapura de disco de turbina de aleación de alta temperatura y alto rendimiento y una nueva tecnología de Conformación directa por láser y fabricación de piezas con forma casi neta, fabricando con éxito una estructura de gradiente de microcolumna radial ultrapura con un diámetro de 450 mm. Disco de turbina de aleación de alto rendimiento y alta temperatura.
(5) Inventó el "Horno de fusión por láser con molde de cobre refrigerado por agua" y nuevas tecnologías para la preparación de materiales de fundición por láser y el conformado directo de piezas para materiales metálicos refractarios, difíciles de procesar y altamente activos, y realizó con éxito materiales difíciles de usar como W/W5Si3. La preparación metalúrgica por fundición láser y la fabricación de conformado de piezas y materiales compuestos "in situ" de temperatura ultra alta reforzados con metal fundido ha encontrado una nueva forma para la preparación de materiales refractarios y materiales de aleación de alto rendimiento difíciles de procesar y la formación y fabricación de piezas complejas;
(6) Se descubrió que la suave interfaz líquido-sólido y el mecanismo de crecimiento escalonado de los cristales facetados con alto factor de Jackson son altamente insensible a la velocidad de enfriamiento de la solidificación y al sobreenfriamiento de la interfaz Según la teoría clásica de la solidificación, "la estructura de la interfaz líquido-sólido de los cristales facetados cambiará de la escala atómica a la suavidad se convierte en rugosidad a escala atómica, y el mecanismo de crecimiento cambiará de. Crecimiento lateral a mecanismo de crecimiento continuo a medida que aumenta la velocidad de enfriamiento de solidificación o el sobreenfriamiento de la interfaz". El ámbito de aplicación se complementa razonablemente.
Avance de la investigación en tecnología de creación rápida de prototipos con láser para grandes estructuras de aleación de titanio. Las aleaciones de titanio tienen características sobresalientes como baja densidad, alta resistencia específica, alta relación rendimiento-resistencia, buena resistencia a la corrosión y buena resistencia mecánica a altas temperaturas. propiedades. Se utilizan cada vez más en equipos industriales como la aviación, la industria aeroespacial, la petroquímica y la construcción naval. Se utilizan principalmente como grandes piezas estructurales de soporte de carga principales de aviones, como marcos, vigas y juntas de refuerzo del fuselaje. Tomemos como ejemplo las aplicaciones de aviación. Por ejemplo, la cantidad de aleación de titanio utilizada en la nueva generación de aviones civiles (B-787, A-380) desarrollada por Boeing y Airbus ha aumentado desde menos del 4% en la tercera generación (B-747, A-300). a más del 9% La cantidad de piezas estructurales de aleación de titanio utilizadas en los aviones de combate ha aumentado de aproximadamente el 3% del F-16 al F/A65438. Sin embargo, la cantidad de piezas estructurales de aleación de titanio en el caza F-22 de cuarta generación ha representado el 41% del peso total de la estructura del fuselaje. De hecho, el número de piezas estructurales grandes de aleación de titanio se ha convertido en uno de los indicadores importantes para medir el avance tecnológico de los aviones y otros equipos de defensa. Sin embargo, debido a la influencia de las propiedades de las aleaciones de titanio, el uso de procesos tradicionales como "forjado + mecanizado" para fabricar estas grandes y complejas piezas estructurales clave de aleación de titanio requiere no sólo lingotes de aleación de titanio a gran escala y sistemas hidráulicos de alta resistencia. forja de equipos industriales de más de 10.000 toneladas, pero también procesos de fabricación. El proceso es complejo y requiere fundición al vacío de grandes lingotes de aleación de titanio, preparación de grandes piezas de forja, procesamiento de grandes moldes de forja, etc. El gran margen de mecanizado, la baja tasa de utilización de material (generalmente menos del 5 ~ 10%), el largo tiempo de procesamiento CNC, el alto costo de fabricación y el largo ciclo de producción han restringido seriamente la amplia aplicación de grandes piezas estructurales de aleación de titanio en la industria avanzada y en equipos de defensa nacional. .
¡La tecnología de formación y fabricación de ciclo corto y bajo costo de piezas estructurales de soporte de carga principales de aleación de titanio de gran tamaño es también uno de los cuellos de botella técnicos que restringen el desarrollo y la producción de equipos de aviación en nuestro país!
La tecnología de fabricación de "forma casi neta" de deposición por fusión láser de piezas estructurales metálicas de alto rendimiento utiliza los principios básicos de la creación rápida de prototipos (RPM), utilizando polvo metálico (o alambre) como materia prima y utilizando Los rayos láser de alta energía se funden sobre las materias primas metálicas y se depositan capa por capa. La fabricación con forma casi neta incluida es una nueva y revolucionaria tecnología de fabricación digital, de ciclo corto, de bajo costo y avanzada de "forma casi neta" que se puede completar directamente desde el modelo CAD de la pieza en un solo paso. Perspectivas de aplicación en el desarrollo y producción de equipos de aviación, aeroespaciales y otros equipos de defensa nacional.
(1) La preparación de materiales de alto rendimiento y la fabricación de piezas complejas con "forma casi neta" están integradas, sin necesidad de preparación de piezas en bruto ni procesamiento de troqueles de forja, y sin necesidad de grandes o equipos industriales de forja y fundición de gran tamaño e instalaciones de soporte relacionadas;
(2) Las piezas tienen una estructura única de solidificación rápida, con granos finos, composición uniforme, estructura densa y excelentes propiedades mecánicas integrales;
(3) Materiales de las piezas Alta tasa de utilización (más de 5 veces mayor que las piezas forjadas), pequeño volumen de procesamiento y corto tiempo de procesamiento CNC;
(4) Bajo costo de fabricación y fabricación corta ciclo;
(5) Tecnología El equipo es simple, los procedimientos son pocos y cortos, la flexibilidad es alta y tiene capacidades de respuesta rápida "extraordinarias";
(6) Puede realizar fácilmente la producción de materiales metálicos refractarios como W, Mo, Nb, Ta y Ti, preparación de materiales y "conformación casi neta" directa de piezas de materiales metálicos altamente activos y de alto rendimiento como Zr;
(7) De acuerdo con las condiciones de trabajo y los requisitos de rendimiento de la pieza, la química del material de deposición por fusión por láser local se puede cambiar de manera flexible. Componentes para lograr una fabricación directa de forma casi neta de metales compuestos de alto rendimiento con gradiente de múltiples materiales. ;
(8) Tiene un alto grado de flexibilidad y respuesta rápida al diseño de piezas y cambios de lote.
Las ventajas únicas de la tecnología de creación rápida de prototipos con láser proporcionan una nueva forma de superar las deficiencias de la tecnología de fabricación mencionadas anteriormente de grandes piezas estructurales de aleación de titanio. Debido a su importancia y practicidad generalizada en el desarrollo y producción de equipos de defensa avanzados, las potencias industriales y militares occidentales como Estados Unidos le conceden gran importancia. Desde 1995, la Agencia de Proyectos Avanzados de Defensa de los Estados Unidos (DARPA) y la Oficina de la Marina (ONR) han implementado una serie de programas especiales de investigación sobre piezas estructurales de aleación de titanio para aviones láser.
Progresos de la investigación en tecnología de creación rápida de prototipos con láser para piezas estructurales de aleación de titanio para aviones en el extranjero
Hasta el momento, sólo la American AeroMet Company (1998 MTS Company, Pennsylvania State University, Johns Hopkins University Investment and La cooperación estableció una empresa de alta tecnología especializada en la creación rápida de prototipos láser de piezas estructurales de aleación de titanio para aviones (la empresa quebró en febrero de 2005) y realizó prototipos rápidos láser de piezas estructurales de aleación de titanio en aviones de 2002 a 2005. AeroMet, con el apoyo del Programa de Tecnología de Doble Uso del Departamento de Defensa de EE. UU., el Programa Forge de la Fuerza Aérea de EE. UU. y el Programa Mantle del Ejército de EE. UU., trabajó en estrecha colaboración con Boeing Inq, Lockheed Martin y otros fabricantes de aviones militares para desarrollar aviones complejos de aleación de titanio. fuselajes. Investigación sobre tecnología de prototipado rápido por láser de piezas estructurales. En septiembre de 2000, se completó con éxito la prueba de rendimiento en tierra de piezas estructurales de ala de avión de tamaño completo de aleación de titanio formadas con láser, reemplazando la resistencia a la fatiga y la resistencia estática de los componentes.
A partir de 2001, AeroMet comenzó a proporcionar vigas de empuje de la góndola del motor (Figura 1), juntas plegables giratorias de las alas y largueros de las alas para los aviones combinados de combate y ataque F/A-18E/F de Boeing. paneles (Figura 2), paneles de pared de quilla (Figura 3) y otras piezas estructurales no principales de soporte de carga del ala de aleación de titanio. En 2002, se formularon normas técnicas para la creación rápida de prototipos láser de productos Ti6A14V. Desde 2002 hasta la declaración de quiebra de la empresa en febrero de 2005, Ti6A14V y otras piezas de aleación de titanio para aviones fabricadas mediante prototipos rápidos con láser se han instalado y aplicado en F-22, F/A18-ElF y otros aviones.
AeroMet es la primera empresa en la historia del mundo en dominar la tecnología de creación rápida de prototipos con láser para piezas estructurales de aleación de titanio para aviones e implementar con éxito la instalación y aplicación.
Debido a las deficiencias inherentes de su tecnología de creación rápida de prototipos con láser, las propiedades de fatiga de los componentes de aleación de titanio, como el Ti6A14V, que se forman rápidamente con láser, son siempre significativamente más bajas que las posteriores al prensado isostático en caliente (HIP) o al forjado con matriz abierta (como se muestra en la Figura 4). Forjados, que hacen que los componentes de aleación de titanio para la creación rápida de prototipos con láser no puedan usarse en las principales partes estructurales clave de los aviones. El rango de aplicación de piezas estructurales de aleación de titanio para la creación rápida de prototipos láser en aviones era limitado, lo que finalmente llevó a la quiebra de AeroMet en junio de 2005 y febrero de 2005.
Progresos de la investigación nacional sobre tecnología de creación rápida de prototipos con láser para piezas estructurales de aleación de titanio para aviones
Hasta ahora, solo hay unas pocas unidades nacionales, como el Instituto de Metales No Ferrosos de Beijing, la Universidad Politécnica del Noroeste, y la Universidad de Aeronáutica y Astronáutica de Beijing se han llevado a cabo investigaciones sobre la tecnología de creación rápida de prototipos con láser de aleación de titanio, pero, a excepción de la Universidad de Beihang, no se ha instalado en aviones.
Con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, el Fondo para Jóvenes Destacados, el Programa Nacional 973, el Programa Nacional 863 y otros proyectos clave, el Laboratorio de preparación y formación de materiales por láser de Beihang trabaja en estrecha colaboración con la industria. Se combinan la academia y los institutos de investigación como el Instituto de Diseño de Aeronaves de Shenyang. Desde 1998, Bai65438 ha estado comprometido con la tecnología de creación rápida de prototipos con láser, conjuntos completos de equipos de proceso y tecnologías clave para aplicaciones de ingeniería estructural de aleaciones de titanio.
Durante el Décimo Plan Quinquenal, mi país desarrolló de forma independiente el primer sistema completo de equipos de proceso de "contacto de plano libre/sellado dinámico/protección de atmósfera inerte" para piezas estructurales de aleación de titanio con derechos de propiedad intelectual independientes. Avance en las tecnologías clave del proceso de fabricación por deposición por fusión láser y la aplicación de instalación de piezas estructurales de soporte de carga secundarias de aleación de titanio para aviones. Las propiedades mecánicas de TC4, TAl5, BT22, TC2 y otras aleaciones de titanio fabricadas mediante deposición por fusión láser son significativamente mejores que las de las piezas forjadas, como tracción a temperatura ambiente y alta temperatura, durabilidad a alta temperatura, fluencia a alta temperatura, fatiga suave y fatiga por falta de El. . Desde 2005, varias piezas estructurales de aleación de titanio, como TAl5 y TC4, se han formado e instalado rápidamente con láser en aviones, lo que ha aumentado cinco veces la tasa de utilización del material de las piezas.
Durante el período del "Undécimo Plan Quinquenal", se lograron avances en una serie de tecnologías clave, como la tecnología de fabricación por deposición láser, conjuntos completos de equipos, control de procesos, estabilidad del proceso a largo plazo y calidad de los componentes. garantía para grandes piezas estructurales de aleación de titanio que soportan carga de aviones:
1. Se desarrolló una nueva tecnología de creación rápida de prototipos con láser para piezas estructurales de carga principales de aleación de titanio integrales a gran escala, que resolvió el ". "Problema técnico" de deformación y agrietamiento de piezas estructurales de soporte de carga principales de aleación de titanio integral a gran escala mediante creación rápida de prototipos con láser.
2. Propuso y dominó un nuevo método para la creación rápida de prototipos con láser para controlar activamente la morfología del grano de la estructura de solidificación y la microestructura del tratamiento térmico de los principales componentes de soporte de grandes aleaciones de titanio para aviones.
3. Comprender el mecanismo de formación de defectos internos en piezas estructurales de carga principales de aleación de titanio a gran escala de aviones mediante creación rápida de prototipos con láser y las tecnologías clave para superar los defectos internos y el control de calidad.
4. Avance en las tecnologías clave de creación rápida de prototipos láser de grandes piezas estructurales integrales de aleación de titanio para aviones y control de calidad interno. Las propiedades mecánicas integrales de la creación rápida de prototipos con láser de grandes piezas estructurales integrales de aleación de titanio alcanzan y superan las de las piezas forjadas con matrices de aleación de titanio. El límite de fatiga por entalla supera el 40% del de las piezas forjadas con matrices de aleación de titanio, y la vida útil a altas temperaturas es del 400%. más alto que el de las piezas forjadas.
5. Se ha fabricado con éxito una variedad de piezas estructurales clave de aleación de titanio con un peso único de más de 110 kq utilizando prototipos rápidos con láser (consulte la Figura 5 para ver algunas fotos de muestra. Es la aleación de titanio integrada más grande). Maestro de aviones en China hasta el momento.
La impresión 3D de aleación de titanio en China se está poniendo al día por detrás.
La tecnología de formación por láser de aleaciones de titanio de mi país comenzó relativamente tarde, y no fue hasta 1995 que Estados Unidos desclasificó el plan de I + D y comenzó a invertir en investigación tres años después. Al principio, básicamente seguíamos el aprendizaje estadounidense y establecimos laboratorios en muchas universidades e institutos de investigación de todo el país para realizar investigaciones. Entre ellos, el equipo de tecnología láser de AVIC ha logrado los logros más importantes.
Ya alrededor del año 2000, el equipo de tecnología láser de AVIC comenzó a invertir en la investigación y el desarrollo de "tecnología de creación rápida de prototipos de soldadura láser tridimensional". Con el apoyo continuo del Estado, especialmente de los fondos militares, después de varios años de investigación y desarrollo, se solucionaron muchos problemas técnicos mundiales, como el "sistema de protección de gas inerte", la "dispersión de tensiones térmicas", el "control de defectos" y el "control del crecimiento de la red". Se han resuelto, la estructura es compleja, el tamaño alcanza los 4 m y el rendimiento cumple con los requisitos de la estructura portante principal. La impresora 3D de aleación de titanio de China fabrica piezas de soporte de carga a gran escala. Tiene la tecnología y la capacidad de formar con láser componentes complejos de aleación de titanio de más de 12 metros cuadrados en China, y ha invertido en la fabricación de prototipos y productos de múltiples aviones nacionales. proyectos de investigación científica. Convertirse en el único país del mundo que ha dominado la aplicación de ingeniería de componentes de soporte de carga principales a gran escala de aleación de titanio conformados por láser en la ingeniería de fabricación e instalación.
Ahorra el 90% de materiales y costes.
Después de resolver los problemas de deformación del material y control de defectos, las piezas estructurales nacionales de aleación de titanio se convirtieron rápidamente en una ventaja única para China Aviation. Debido a su peso ligero y alta resistencia, los componentes de aleación de titanio tienen amplias perspectivas de aplicación en el campo de la aviación. La proporción de componentes de aleación de titanio en los aviones de combate avanzados ha superado el 20%.
La fabricación tradicional de piezas de aleación de titanio se basa principalmente en la fundición y la forja. Entre ellas, las piezas fundidas son fáciles de fabricar en tamaños grandes, pero son pesadas y no pueden procesarse para obtener formas finas. Aunque la precisión de forjado y corte es buena, el principal componente de carga del avión de combate estadounidense F-22 es el gran marco de aleación de titanio fundido. Sin embargo, el desperdicio de piezas en la fabricación es grave, el 95% de las materias primas se cortarán como chatarra y el tamaño de las aleaciones de titanio forjadas está estrictamente limitado: una gran prensa hidráulica de 30.000 toneladas sólo puede forjar piezas de menos de 0,8 metros cuadrados. Incluso la máquina de 80.000 toneladas más grande del mundo. Una prensa hidráulica de una tonelada no puede forjar piezas de más de 4,5 metros cuadrados. Además, ninguna de las dos tecnologías puede fabricar piezas complejas de aleación de titanio, y la soldadura provocará una terrible corrosión de la aleación de titanio. La estructura del fuselaje del F-22 está hecha de piezas forjadas de aleación de titanio.
La tecnología de formación de aleaciones de titanio con láser resuelve completamente esta serie de problemas. Gracias a la tecnología de superposición, se ahorra el 90% de las costosas materias primas y no es necesario fabricar moldes especiales. La tarifa de procesamiento es de 1 a 2 veces el costo de la materia prima, lo que solo requiere el 10%. Una estimación aproximada muestra que el costo de procesar una pieza estructural compleja de aleación de titanio que pesa 1 tonelada es de aproximadamente 25 millones de yuanes, mientras que el costo de la tecnología de creación rápida de prototipos de soldadura láser 3D es de solo aproximadamente 13.000 yuanes, y su costo es solo el 5% del de la tecnología tradicional. .
Más importante aún, muchas estructuras complejas de aleación de titanio se pueden formar integralmente mediante impresión 3D, lo que no solo ahorra horas de trabajo, sino que también mejora en gran medida la resistencia del material. Si las piezas forjadas de aleación de titanio del F-22 se fabrican utilizando la tecnología de impresión 3D de China, el peso se puede reducir hasta en un 40% con la misma resistencia.