亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        運(yùn)載火箭大型關(guān)鍵承力產(chǎn)品激光沉積增材制造技術(shù)研究

        2021-06-19 08:49:04趙彥廣周慶軍嚴(yán)振宇駱洪志
        關(guān)鍵詞:變形產(chǎn)品

        趙彥廣,周慶軍,嚴(yán)振宇,駱洪志

        (1.天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司,天津,300462;2. 首都航天機(jī)械有限公司,北京,100076;3. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院,北京,100076)

        0 引 言

        增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing,AM),又稱3D打印技術(shù),是近年來(lái)迅速發(fā)展的高端數(shù)字化制造技術(shù)。增材制造依據(jù)三維CAD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),采用離散材料逐層累加制造實(shí)體零件,是一種“自上而下”材料累加的制造過(guò)程[1],與傳統(tǒng)的減材制造(如機(jī)加、化銑等材料去除方式)和等材制造(鑄造、沖壓等模具控形方式)有著本質(zhì)區(qū)別。增材制造技術(shù)具有快速制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、高效利用原材料、可高度優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和適應(yīng)個(gè)性化小批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)[2]。近年來(lái),隨著增材制造技術(shù)發(fā)展的日益成熟,在國(guó)內(nèi)外航空航天制造領(lǐng)域應(yīng)用日益增加,為復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的敏捷、柔性制造和近凈成形提供了新的實(shí)現(xiàn)途徑。

        中國(guó)運(yùn)載火箭箭體關(guān)鍵承力產(chǎn)品傳統(tǒng)上多采用鍛件機(jī)加方式生產(chǎn)。某運(yùn)載型號(hào)芯級(jí)捆綁支座(見圖1)用于助推器推力向芯級(jí)結(jié)構(gòu)的傳遞,產(chǎn)品外形尺寸1300 mm×630 mm×350 mm,主體為弧形壁板+承力接頭的倒梯形結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)最薄壁厚為5 mm,最大壁厚為60 mm。產(chǎn)品尺寸規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚差異大,單件工作狀態(tài)下最大承載超過(guò)200 t,是典型的大尺寸高承載復(fù)雜結(jié)構(gòu)關(guān)鍵承力產(chǎn)品。此產(chǎn)品以往采用鋼鍛件機(jī)加成形,鍛件毛坯質(zhì)量約3000 kg,加工完成后本體質(zhì)量約110 kg,材料利用率不到4%,資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

        圖1 芯級(jí)捆綁支座結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Core-level Binging Bearing Structure Diagram

        鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、高溫性能及耐腐蝕性能優(yōu)異等特點(diǎn),在航空、航天等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。通過(guò)結(jié)合鈦合金材料應(yīng)用與增材制造技術(shù),可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品減重和快速制造的目的,進(jìn)一步提升運(yùn)載能力和效率,同時(shí)克服“鍛造+機(jī)加”模式工藝復(fù)雜、周期長(zhǎng)的缺點(diǎn),并提高材料利用率,減少資源浪費(fèi)。

        經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后,產(chǎn)品原材料更改為TC11(Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si)鈦合金材料,材料密度不及原鋼質(zhì)材料密度的60%,單件產(chǎn)品理論質(zhì)量可減至60 kg,減重45.4%。此項(xiàng)結(jié)構(gòu)件優(yōu)化預(yù)計(jì)可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭LEO運(yùn)載能力提升近200 kg,應(yīng)用效果顯著。

        針對(duì)基于增材制造技術(shù)的鈦合金芯級(jí)捆綁支座產(chǎn)品制造實(shí)現(xiàn)過(guò)程,本文從工藝方法選擇和工藝流程設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了闡述,并對(duì)研制過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析和驗(yàn)證。

        1 工藝方法及流程設(shè)計(jì)

        1.1 成形工藝方法選擇

        金屬增材制造有多種工藝實(shí)現(xiàn)方法,較為常見的有:基于粉床鋪粉的激光選區(qū)熔化增材制造(Selective Laser Melting,SLM)、基于同軸送粉的激光熔化沉積成形(Laser Metal Deposition,LMD)和電弧熔絲增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)等。

        SLM具有制造精度高(成形尺寸精度不低于±0.05 mm)、成形組織致密、機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn),基本無(wú)需經(jīng)過(guò)額外加工即可使用,更加趨向于凈成形。但現(xiàn)市場(chǎng)可提供SLM工藝裝備成形尺寸有限(如蘇州西帝摩公司2017年推出全球最大SLM設(shè)備CQU750成形尺寸為750 mm×750 mm×500 mm),現(xiàn)有裝備成形能力暫不能滿足“米”級(jí)大型構(gòu)件研制。

        考慮到現(xiàn)有制造能力、制造成本和技術(shù)成熟度等因素,主要針對(duì)LMD和WAAM兩種可成形大尺寸結(jié)構(gòu)件的3D打印技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,如表1所示。

        表1 不同增材制造工藝方法對(duì)比Tab.1 Comparison of Different Process Methods

        如表1所示,LMD和WAAM兩種技術(shù)均可實(shí)現(xiàn)大型結(jié)構(gòu)件制造。WAAM成形效率高、成本低,但成形過(guò)程產(chǎn)品受熱積累影響較為嚴(yán)重,溫度梯度及冷卻速率相對(duì)偏低,宏微觀組織較為粗大、力學(xué)性能較差[3],且部分熔絲設(shè)備結(jié)構(gòu)易于產(chǎn)品干涉,對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)成形有一定影響。

        LMD是利用快速原型制造的基本原理,以金屬粉末為原材料,采用高能激光束作為能量源,按預(yù)定加工路徑將同步送給的金屬粉末進(jìn)行逐層熔化、快速凝固和逐層沉積,從而實(shí)現(xiàn)金屬零件的直接制造,其工作原理如圖2所示[4]。

        圖2 LMD技術(shù)原理Fig.2 Schematic Diagram of LMD

        相比WAAM技術(shù),LMD成形精度較高、產(chǎn)品表面質(zhì)量較好,降低了后期機(jī)加量和加工難度;激光能量密度高,成形產(chǎn)品受熱積累影響較小,溫度梯度及冷卻速率相對(duì)較高,性能相對(duì)較好,更適用于關(guān)鍵承力產(chǎn)品。因此,LMD技術(shù)更適合芯級(jí)捆綁支座制造。

        1.2 成形工藝流程設(shè)計(jì)

        結(jié)合芯級(jí)捆綁支座結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其承載特性,綜合考慮變形開裂與過(guò)程穩(wěn)定性控制,采用分步成形方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體制造,即首先成形弧板,然后弧板翻轉(zhuǎn)水平后成形接頭,如圖3所示?;“搴徒宇^部位在一次成形過(guò)程中由于熱應(yīng)力積累易產(chǎn)生變形甚至局部開裂,因此需在兩步成形過(guò)程中分別設(shè)置多個(gè)熱處理去應(yīng)力節(jié)點(diǎn),控制產(chǎn)品變形和開裂風(fēng)險(xiǎn)。

        圖3 產(chǎn)品制造流程Fig.3 Product Manufacturing Process

        毛坯最終熱處理完成后,進(jìn)行內(nèi)部組織超聲波探傷。由于受脈沖反射法的超聲波探傷近場(chǎng)效應(yīng)[5]的影響,產(chǎn)品在探傷前應(yīng)留有一定余量,因此在打印毛坯余量設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮激光熔化沉積成形精度、熱處理變形補(bǔ)償、超聲波探傷余量和機(jī)加尺寸協(xié)調(diào)余量等多個(gè)方面因素,合理設(shè)置毛坯模型余量數(shù)值。

        2 制造技術(shù)研究

        2.1 原材料選擇

        原材料方面,影響鈦合金增材制造產(chǎn)品質(zhì)量的因素主要包括粉末雜質(zhì)含量、流動(dòng)性、松裝密度等,其中雜質(zhì)含量是粉末材料的基礎(chǔ)指標(biāo),是保證成形產(chǎn)品力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。

        在等級(jí)鈦粉中,除特殊用途外,一般要求采用含氧量來(lái)區(qū)分鈦合金粉末純度質(zhì)量等級(jí),常將含氧量小于0.15%者稱為高質(zhì)量鈦粉。氧元素是由制粉原材料或粉末制備過(guò)程帶入的雜質(zhì)元素,屬于間隙型α穩(wěn)定元素,其與鈦有包析反應(yīng)形成間隙式固溶體,使鈦合金強(qiáng)度提高、塑性降低,同時(shí)使斷裂韌性、疲勞性能、抗腐蝕性、冷成形性和可焊性等變差,因此在鈦及鈦合金中對(duì)氧元素規(guī)定了它的最高允許含量[6]。研究發(fā)現(xiàn),隨著成形環(huán)境中氧含量的增加,激光沉積成形TA15合金強(qiáng)度提高,但塑性大幅下降;當(dāng)氧含量體積分?jǐn)?shù)從5×10-5增加到1.9×10-4時(shí),合金屈服強(qiáng)度增長(zhǎng)8%,但延伸率降低31%[7]。

        為確保芯級(jí)捆綁支座強(qiáng)度和塑性均滿足設(shè)計(jì)選用的GJB2744A《航空用鈦及鈦合金鍛件規(guī)范》指標(biāo)要求,驗(yàn)證含氧量對(duì)TC11合金室溫性能的影響,開展了不同含氧量粉末打印成形室溫性能對(duì)比研究,從而獲取合理的鈦粉氧含量控制范圍。

        參照GJB2744A中對(duì)氧含量的要求(≤0.15%),并考慮打印成形環(huán)境對(duì)含氧量增加的影響,試驗(yàn)選用0.05%~0.06%(低氧粉)和0.10%~0.11%(高氧粉)2種規(guī)格原材料采用相同工藝參數(shù)進(jìn)行試樣打印,試驗(yàn)件結(jié)果對(duì)比如表2所示。

        表2 不同含氧量成形試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.2 Data Comparison of Differernt Oxygen Levels

        由表2可知,低氧粉試樣室溫延伸率與高氧粉子樣無(wú)明顯差異,但屈服強(qiáng)度比較高氧粉成形試樣低約50~100 MPa,已無(wú)法滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。同時(shí),由打印前后鈦粉與成形件氧元素含量對(duì)比可知,現(xiàn)有成形設(shè)備打印過(guò)程會(huì)帶來(lái)0.01%~0.02%的氧含量增加。

        綜上所述,為確保成形產(chǎn)品化學(xué)成分、強(qiáng)度和塑性指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求,需將原材料粉末含氧量控制在0.10%~0.13%范圍內(nèi)。

        2.2 變形與開裂風(fēng)險(xiǎn)控制

        為預(yù)測(cè)產(chǎn)品變形風(fēng)險(xiǎn),以70 mm厚度TC4鈦合金板材為基板材料,基于Ansys有限元軟件workbench模塊開展產(chǎn)品沉積成形過(guò)程變形量預(yù)測(cè)及驗(yàn)證,見圖4。

        圖4 基板端部變形仿真Fig.4 Distribution of Substrate Edge

        續(xù)圖4

        通過(guò)優(yōu)化熱源施加方式,選擇面熱源整體施加,實(shí)現(xiàn)了基板宏觀變形的預(yù)測(cè),由圖4b可知,模擬仿真顯示基板端部翹曲變形主要集中在沉積歷程的前1/4階段,經(jīng)過(guò)初始沉積預(yù)熱階段后,基板端部翹曲變形量迅速增加,最大翹曲變形量約為28 mm。

        由上述仿真預(yù)測(cè)可得產(chǎn)品級(jí)典型結(jié)構(gòu)激光熔化沉積過(guò)程溫度場(chǎng)特征及內(nèi)應(yīng)力演化特性,沉積方向各點(diǎn)均經(jīng)歷了周期性非平衡短時(shí)熱循環(huán),內(nèi)應(yīng)力對(duì)應(yīng)地呈周期性非平衡循環(huán)累增變化特征。因此,激光熔化沉積長(zhǎng)時(shí)增材制造過(guò)程中若不適時(shí)去除內(nèi)應(yīng)力,殘余內(nèi)應(yīng)力會(huì)累積增加,最終在結(jié)構(gòu)薄弱位置或應(yīng)力集中位置產(chǎn)生宏觀開裂失效,導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢,如圖5所示。

        圖5 應(yīng)力集中產(chǎn)生開裂Fig.5 Stress Concentration Cracking

        因此,考慮變形開裂與過(guò)程穩(wěn)定性控制,需根據(jù)應(yīng)力累積水平在特定的成形高度設(shè)置熱處理去應(yīng)力,采用分步成形方式避免內(nèi)部應(yīng)力積累水平接近或超過(guò)產(chǎn)品本體承受能力而出現(xiàn)產(chǎn)品過(guò)度變形甚至局部開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

        同時(shí),為了進(jìn)一步規(guī)避產(chǎn)品變形與開裂風(fēng)險(xiǎn),需對(duì)產(chǎn)品過(guò)渡結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行再設(shè)計(jì),將弧板與基板結(jié)合處、凸臺(tái)與弧板結(jié)合處過(guò)渡圓角均優(yōu)化為大斜角結(jié)構(gòu),并加大結(jié)構(gòu)拐角區(qū)域圓角尺寸,以避免極高熱應(yīng)力水平下易產(chǎn)生應(yīng)力集中位置出現(xiàn)宏觀開裂現(xiàn)象。

        經(jīng)過(guò)實(shí)際產(chǎn)品成形驗(yàn)證,上述優(yōu)化措施可有效防止結(jié)構(gòu)變形開裂問(wèn)題,結(jié)構(gòu)成形效果良好。

        2.3 打印結(jié)合區(qū)對(duì)性能影響分析

        由于成形工藝采用了分步成形方式,在產(chǎn)品本體上存在多處打印結(jié)合面,為避免結(jié)合面部位在再次打印成形時(shí)產(chǎn)生組織缺陷,采用真空爐熱處理去應(yīng)力,并在每步打印前對(duì)打印結(jié)合界面按規(guī)范要求進(jìn)行打磨和清潔處理,杜絕因結(jié)合區(qū)氧化皮、多余物等造成內(nèi)部缺陷,進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量。

        為進(jìn)一步驗(yàn)證分步成形工藝流程產(chǎn)生的打印結(jié)合界面力學(xué)性能與一次成形區(qū)是否有所差異,開展了打印結(jié)合區(qū)力學(xué)性能試驗(yàn)驗(yàn)證,采用同一組工藝參數(shù)進(jìn)行了結(jié)合區(qū)部位試樣打印成形,分別進(jìn)行了一次成形區(qū)和分步成形界面的試樣打印。成形前按規(guī)范要求對(duì)結(jié)合界面進(jìn)行打磨和清潔處理,成形后對(duì)試樣進(jìn)行了組織檢測(cè)和力學(xué)性能測(cè)試。一次成形與分步成形結(jié)合區(qū)性能對(duì)比情況如圖6所示。

        圖6 一次成形與分步成形結(jié)合區(qū)性能對(duì)比Fig.6 Bonding Area Performance Comparison

        通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行理化分析顯示,結(jié)合區(qū)宏觀組織檢測(cè)均無(wú)任何氣孔、未熔合及裂紋等缺陷,試樣各項(xiàng)力學(xué)性能與一次成形區(qū)域相比無(wú)明顯差異,實(shí)測(cè)值均滿足設(shè)計(jì)要求。因此可以證明,分步成形工藝流程形成的打印工藝結(jié)合面與一次成形區(qū)不存在明顯差異,對(duì)產(chǎn)品性能無(wú)明顯影響,能夠滿足設(shè)計(jì)對(duì)性能指標(biāo)要求。

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        為驗(yàn)證激光熔化沉積成形芯級(jí)捆綁支座在真實(shí)工況下的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布等情況,產(chǎn)品加工完成后開展了真實(shí)邊界下1.5倍使用載荷靜力試驗(yàn)考核。試驗(yàn)結(jié)果顯示,應(yīng)力與載荷成很好的線性關(guān)系,如圖7所示(摘選部分應(yīng)力值較大數(shù)據(jù)),在高載荷下承載正常,未出現(xiàn)明顯變形等異常情況。試驗(yàn)件考核完畢后進(jìn)行了外形尺寸和無(wú)損檢測(cè),未出現(xiàn)異常變形和新增缺陷,成功通過(guò)靜力試驗(yàn)考核。

        圖7 較大應(yīng)力測(cè)點(diǎn)與載荷關(guān)系曲線Fig.7 Curve between Large Stress Measurement Point and Load

        4 結(jié)束語(yǔ)

        鈦合金增材制造技術(shù)是一種短流程、高效率的先進(jìn)近凈成形技術(shù),本文針對(duì)TC11鈦合金LMD技術(shù)開展了原材料選擇、變形開裂控制、結(jié)合區(qū)影響等研究,實(shí)現(xiàn)了芯級(jí)捆綁支座的快速研制,產(chǎn)品性能可達(dá)到相應(yīng)鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求,填補(bǔ)了鈦合金增材制造技術(shù)在運(yùn)載火箭大型關(guān)鍵承力產(chǎn)品制造中的應(yīng)用空白,為后續(xù)同類產(chǎn)品研制探索出一條新的解決途徑。同時(shí),在今后技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展過(guò)程中,應(yīng)盡快探索形成鈦合金增材制造相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,支撐其在航天制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用,進(jìn)一步提升中國(guó)航天制造水平。

        猜你喜歡
        變形產(chǎn)品
        好產(chǎn)品,可持續(xù)
        從靈感出發(fā),邂逅好產(chǎn)品
        談詩(shī)的變形
        “我”的變形計(jì)
        變形巧算
        例談拼圖與整式變形
        會(huì)變形的餅
        2015產(chǎn)品LOOKBOOK直擊
        Coco薇(2015年1期)2015-08-13 02:23:50
        新產(chǎn)品
        玩具(2009年10期)2009-11-04 02:33:14
        產(chǎn)品
        国产成人久久精品一区二区三区| 美女性色av一区二区三区| 成人大片免费视频播放一级| 精品欧洲av无码一区二区14| 亚洲精品无码人妻无码| 精品日韩欧美一区二区三区在线播放| 国产一区二区三区尤物| 欧美成人国产精品高潮| 在线精品国产亚洲av蜜桃| 色综合久久88色综合天天| 国产草草视频| 亚洲中文字幕永久网站| 蜜桃av噜噜一区二区三区策驰| 欧洲熟妇色xxxx欧美老妇多毛| 国产精品视频久久久久| 白白白色视频在线观看播放| 欧美最猛性xxxx| 国产精品美女久久久久 | 免费人成视频xvideos入口| 亚洲最大成av人网站| 少妇又色又爽又刺激的视频| 国产精品久久久福利| 久久久久久久久久久国产| 亚洲国产成人Av毛片大全| 蕾丝女同一区二区三区| 日韩精品极品视频在线观看免费| 无码AV高潮喷水无码专区线| 91在线视频视频在线| 音影先锋中文字幕在线| 亚洲处破女av日韩精品| 中日韩欧美高清在线播放| 亚洲综合在不卡在线国产另类 | 国产精品久久久久尤物| 最新国产精品国产三级国产av| av无码电影一区二区三区| 亚洲欧美精品伊人久久| 激情亚洲综合熟女婷婷| 久久精品国产亚洲av天| 永久免费av无码网站yy| 国产亚洲精选美女久久久久| 日本一区二区视频在线|