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  • 高端锻件微铸锻复合增材制造

  • 发布时间:2019/3/28 9:50:02 来源:互联网文字【 收藏浏览人数:1163
  • 内容摘要:大家知道古代宝剑、现代飞机框梁、发动机涡轮盘均为锻件,自古以来先铸后锻,形状和质量性能是分布的完成的,目前这项技术无法整体制造,复杂的高端锻件,从我们国家重大需求和背景来看,航空发动机、大飞机、动力平台都是国家重大装备重大需求

    项目:高端锻件微铸锻复合增材制造
    人员:张海鸥
    华中科技大学博士生导师
    数字制造装备与技术国家重点实验室金属3D打印学术带头人
    中国增材制造产业联盟学术委员会委员
    武汉天昱智能制造有限公司首席科学家。

    发明背景

       大家知道古代宝剑、现代飞机框梁、发动机涡轮盘均为锻件,自古以来先铸后锻,形状和质量性能是分布的完成的,目前这项技术无法整体制造,复杂的高端锻件,从我们国家重大需求和背景来看,航空发动机、大飞机、动力平台都是国家重大装备重大需求,这种装备要求高可靠性、轻量化,高端锻件需要高强韧、高疲劳寿命,这样锻件年需求大于2000亿元,目前90%以上依赖进口,起落架订货周期长达3年,价格昂贵。
       对于这样一些高端锻件采用传统制造技术局限在于,首先流程和周期很长,因为它有很多的工序且分散。而且一直以来多种大型装备,成品率不高,因为成形不均匀性。成功率不高,另外采用大型锻压机昂贵,另外能耗和材料损耗比较高,这种过程是重污染的。产品适应性比较差,因为它的形状是由铸造品质是由锻造分别获得,这种技术由于加工技术限制无法整体制造复杂形状或者梯度材料的零件。
       现在增材制造技术是一种短流程的制造技术,但是由于它在制造过程当中没有经过热锻加工,组织多为各项异性缺陷,性能不高不均匀,难以避免,难以得到强韧性的锻件。另外采用逐点堆积成形的效率不高,多采用粉末及大功率激光束、电子束导致成本巨高。
       重大的难题是传统技术无法短流程整体制造复杂锻件,增材制造技术又难以制造高疲劳寿命锻件,所以一个重大的挑战就是能否发明高疲劳寿命高端锻件短流程整体制造技术。
       张海鸥是1998年从日本到华中科技大学,经过近20年的努力奋斗,在这样一个技术上经过了20年的发明历程。目前来看复合增材制造技术应该是先进制造技术,包括增材制造发展前沿。武汉天昱智能公司,在采用电弧、塑性加工、数控加工这方面做出了自己应有的贡献。其中也得到了国家大力支持,突破我国高端装备自主创新能力弱的瓶颈。

    主要发明点:

       原理上进行创新,基于非平衡加热凝固与办固态变形再结晶热力学过程宏微观机理研究,发明铸锻同步、融合铣削的超短流程,复杂形状与高性能并行创制的新方法。
       工艺变革,发明时空可控多能场复合作用铸锻调质一体化,创新均匀锻态等轴习晶大型整体复杂锻件的新工艺。装备发明,发明紧凑变报微锻机构、形貌缺陷原位检测及修复系统集成新装备,实现复杂锻件高可靠性。
    具体的发明点:

    ●铸锻合一制造高端锻件新方法。

    ●电弧熔丝形成熔池,微锻机构对其刚凝固区趁热连续锻压,铸锻合一获均匀致密锻态组织性能。 

    ●微锻造铣符合无缺陷制造,原位检测,发现缺陷在线铣去,实现增材微铸——等材微锻——调质处理同步,同工位融合减材铣削无缺陷制造。

       首先进行拓扑优化,然后进行路径优化,实现新的智能路径规划。通过铸锻机构进行控制成形,在过程当中进行监测,发现缺陷修复,最后进行微铸锻多轴协同形成加工,最后得到高端的零件。
        通过模拟研究发现,发现复合成形使自由成形可以减少破裂的倾向。
    发明点二:高端锻件的铸锻符合制造新工艺,边铸边锻,趁热锻造实现动态再结晶从而获得超细等轴晶,发明一系列材料微铸锻形成新工艺,这个图可以看到最左边是一种铸钛组织,中间是传统锻造等轴晶,最右边得到均匀、细小12级超细等轴晶,这样实现了高端锻件组织性能。
       奥贝钢,右边是微铸锻复合未处理的组织状态,还没有进行热处理它的塑性和韧性均优于锻件,冲击韧性是单一待磨成形3倍以上。
       高温合金,微铸锻复合,控制扎制压力和微锻温度,得到的组织。最左边是单一的组织,中间是传统锻造组织,右边是微铸锻混合组织。通过和锻造的比较,在强度、塑性、伸长率、收缩率、冲击韧性方面均远高于传统锻造。
        钛合金,晶粒粗大、等轴晶,通过微铸锻复合,强度以及塑性、韧性要大于高于传统锻造。
    微铸锻铣合一超短流制造新装备。发明灵巧微锻机构,同步作用于熔基,实现用不到吨小的压力微锻,与8万吨的锻压效果相当。其中进行元位检测与修复,发明超声与涡流复合原位检测装置,发现后去除修复,来实现无缺陷。另外进行动态规划,开发在线的动态成形路径规划系统,保证少余量精确成形。这是低成本的要求。
       通过以上装置集成,研制出世界首台微铸锻铣合一超短流程制造大型制造装备,加工电高微锻,实现了用一台装备超短流程直接制造高端锻件创新创造发明。这是我们的装备,右边是全封闭实现钛合金成形的装备。
       这是我们获得的知识产权以及论文的研究。这是美国Wohlers增材制造国际权威报道2017年的报告,本团队发明了铸锻铣工艺。这是著名杂志明确指出,本团队微铸锻锻轧原位同步符复合制造技术是我们团队首创,不同于英国Cranfield大学电弧增才冷轧分布进行技术。
       另外在钛合金典型工艺所得断裂韧度的对比,平均断裂韧度优于传统国内外常规增才工艺,优于传统锻件。损伤容限,比传统降低了一个数量级。这是GE公司检测报告,性能超过GE公司锻件指标,由于其他制造著名机构样件指标。

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