航空、航天、電力、石化、船舶等現(xiàn)代工業(yè)高端裝備正向大型化、高參數(shù)、極端惡劣條件下高可靠、長(zhǎng)壽命服役的方向快速發(fā)展，致使其鈦合金、高溫合金等關(guān)鍵金屬構(gòu)件尺寸越來(lái)越大、結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜、性能要求日益提高，對(duì)制造技術(shù)及裝備的要求越來(lái)越高、挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻。采用鑄錠冶金+塑性成形等傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)大型、整體、高性能金屬構(gòu)件，不僅需要萬(wàn)噸級(jí)以上的重型鍛造裝備及大型鍛造模具，技術(shù)難度大，而且材料切削量大、材料利用率低、周期長(zhǎng)、成本高。作為增材制造技術(shù)一種典型工藝，激光沉積制造技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，以合金粉末為原料，以粉末同步送進(jìn)為特征，通過(guò)激光熔化/快速凝固逐層沉積制造，由零件CAD模型一步完成全致密、高性能金屬結(jié)構(gòu)件的“近凈成形制造”。因其獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)，被譽(yù)為是一種“變革性”“控形/控性”一體化制造技術(shù)，在航空、航天等重大裝備制造中具有廣闊發(fā)展前景。該技術(shù)材料利用率高，可實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)?shù)膹?fù)雜高性能構(gòu)件制造，且其同步材料送進(jìn)特征，還可實(shí)現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)制造，可用于損傷構(gòu)件的高性能修復(fù)。

 

　　目前增材制造在向大尺寸構(gòu)件制造方向發(fā)展，如飛機(jī)上的大尺寸鈦合金框梁結(jié)構(gòu)件，隨著科技的進(jìn)步，構(gòu)件尺寸會(huì)越來(lái)越大，大型增材制造裝備需要大型機(jī)床，帶來(lái)巨大制造風(fēng)險(xiǎn)；超長(zhǎng)距離的粉末輸送穩(wěn)定性難以保證，此外通過(guò)單純提高成形艙尺寸來(lái)滿足構(gòu)件的尺寸規(guī)格是不經(jīng)濟(jì)也是不現(xiàn)實(shí)的。增材制造過(guò)程中，不僅要考慮制件的應(yīng)力和變形預(yù)防問(wèn)題，還要兼顧其成形精度和效率，而增材制造在修復(fù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等大型薄壁(修復(fù)部位最薄處約2mm)零件時(shí)，不僅要考慮應(yīng)力集中、零件變形，還要考慮其結(jié)合部位性能弱化問(wèn)題。此外，當(dāng)前鈦合金、高溫合金激光增材制造基本都是在剛性惰性氣體保護(hù)倉(cāng)中進(jìn)行，此法不能適應(yīng)修復(fù)零件尺寸變化范圍大的特點(diǎn)，不利于零件的現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)，降低了設(shè)備的利用率，增加了生產(chǎn)成本，因此對(duì)現(xiàn)有裝備也提出了新要求。

 

　　針對(duì)上述需求，沈陽(yáng)航空航天大學(xué)與中航工業(yè)沈陽(yáng)所、沈飛公司及中國(guó)航發(fā)黎明、東安公司深入開(kāi)展合作，長(zhǎng)期致力于激光沉積制造技術(shù)研究工作，“十二五”期間得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(973)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重大科技專項(xiàng)等課題支持，突破鈦合金、高溫合金、鋁合金等大型制件高效高精度制造、減小應(yīng)力和變形、實(shí)現(xiàn)柔性氛圍防護(hù)、保證增材組織一致性和制造結(jié)合區(qū)質(zhì)量等一系統(tǒng)重大難題，已授權(quán)激光沉積制造相關(guān)發(fā)明專利9項(xiàng)，獲國(guó)防科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

 

　　研制系列化激光沉積制造成套裝備：沈航全面突破了激光沉積制造工程化裝備的設(shè)計(jì)、制造及系統(tǒng)集成等技術(shù)。提出特種能量場(chǎng)融合激光沉積制造技術(shù)，將超聲場(chǎng)、電磁場(chǎng)與高能激光有機(jī)耦合，提高增材制造效率的同時(shí)，減小制造過(guò)程殘余應(yīng)力和冶金缺陷，提高制件精度、調(diào)控制組織提升力學(xué)性能。針對(duì)大型整體結(jié)高質(zhì)高效制造需求，創(chuàng)新性的提出動(dòng)態(tài)惰性氣體保護(hù)方法，突破設(shè)備限制，可成形超大尺寸構(gòu)件、進(jìn)行外場(chǎng)制造。

 

　　開(kāi)發(fā)低應(yīng)力小變形激光增材制造工藝：激光沉積過(guò)程中劇烈的、循環(huán)加熱/冷卻條件下，在零件內(nèi)產(chǎn)生分布及演化極其復(fù)雜的應(yīng)力，導(dǎo)致零件嚴(yán)重翹曲變形甚至開(kāi)裂，是制約增材制造的首要技術(shù)瓶頸。沈航提出特種能量場(chǎng)融合增材制造技術(shù)及基于紅外分區(qū)的激光沉積制造動(dòng)態(tài)掃描工藝方法，通過(guò)實(shí)時(shí)反饋沉積層面溫度分布，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃激光掃描軌跡，顯著減小沉積過(guò)程溫度梯度，降低熱應(yīng)力、約束應(yīng)力和晶格儲(chǔ)存能，有效地控制沉積過(guò)程零件的變形和開(kāi)裂，提升工藝穩(wěn)定性，拓寬工藝窗口。由沈航研制的激光沉積制造成套裝備已成功應(yīng)用于科研生產(chǎn)。

 

　　提出了在位局部熱處理的激光增材制造/修復(fù)制件的應(yīng)力消減和組織調(diào)整新方法，研制了基于感應(yīng)加熱器、紅外熱像儀及專用夾具的局部熱處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大型制件在位局部熱處理；顯著降低了殘余應(yīng)力、減小工件變形，保證尺寸精度、形狀精度和位置精度；同時(shí)優(yōu)化了組織，提高了力學(xué)性能。

 

　　建立全套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：建立增材制造新技術(shù)在航空裝備應(yīng)用的全流程性能考核和質(zhì)量保障技術(shù)體系。完成了對(duì)增材制造零件試片級(jí)基本力學(xué)性能考核、模擬件的中試考核及全尺寸零件的綜合性能考核，性能指標(biāo)全部達(dá)到或超過(guò)鍛造鈦合金。建立從試片級(jí)試驗(yàn)到全尺寸件綜合性能考核、從工藝到裝機(jī)的全套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為全行業(yè)應(yīng)用打下技術(shù)基礎(chǔ)。

 

　　研究成果已在承力結(jié)構(gòu)件制造、運(yùn)維方面成功應(yīng)用，保障了批產(chǎn)和科研進(jìn)度，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。激光增材制造法制備的零件與采用傳統(tǒng)“鍛造+機(jī)加”方法相比，結(jié)構(gòu)減重達(dá)25%以上，應(yīng)力水平降低35%；生產(chǎn)周期縮短50%，材料利用率達(dá)到70%，生產(chǎn)成本降低30%。梁構(gòu)件修復(fù)區(qū)的強(qiáng)度指標(biāo)與基體相當(dāng)；表面及外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求、內(nèi)部質(zhì)量合格；與傳統(tǒng)氬弧焊修復(fù)方法相比，工件變形量減小70%；修復(fù)時(shí)間縮短90%；殘余應(yīng)力降低50%以上；同更換新件相比，激光沉積修復(fù)損傷結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)周期縮短90%；修復(fù)成本費(fèi)用平均僅為生產(chǎn)新件費(fèi)用的20%。