Ti-48Al-2Cr-2Nb鈦鋁合金具有低密度、高比強、高模量、高溫抗氧化性等特點(diǎn),比鎳基高溫合金減重約50%。電子束選區熔化金屬3D打印技術(shù)制備,這個(gè)合金材料作為一種最新穎、最前端的成形手段,被認為是它的不二之選,并以其獨特的微區熔化、循環(huán)熱處理、快速凝固等工藝優(yōu)勢,克服了鑄造、鑄錠冶金、粉末冶金組織粗大及凝固組織疏松等問(wèn)題。由于其本身特性,對電子束成形過(guò)程帶來(lái)了較大的技術(shù)挑戰。目前,國內利用電子束設備完成Ti-48Al-2Cr-2Nb合金成形的公司屈指可數,能夠成形大尺寸復雜結構件的公司更是寥寥無(wú)幾。
2021年3月,西安空天機電智能制造有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng):西空智造)通過(guò)前期的不斷努力取得重大進(jìn)展,解決了電子束成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金過(guò)程中粉末潰散(吹粉)、層間結合不足、鋁元素揮發(fā)、致密度低、零件橫縱組織性能不均一等技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題。
圖1為電子束成形過(guò)程中前期粉末潰散現象。通過(guò)對預熱工藝的優(yōu)化升級,成功打印出了不同高度性能一致的高尺寸試棒,如圖2所示,圖3是縱向面微觀(guān)組織。
圖1 電子束粉末潰散瞬間
圖2 電子束3D打印高度90mm Ti-48Al-2Cr-2Nb拉伸試棒
圖3 沉積態(tài)均勻的微觀(guān)組織
經(jīng)后期的組織調控,使得Ti-48Al-2Cr-2Nb試件的橫縱組織更均勻化,致密度可達到99.6%以上,下表為橫縱試棒平均力學(xué)性能數據。
表1 采用電子束技術(shù)Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末打印的力學(xué)性能數據
在此基礎上,西空智造又對制備大尺寸復雜結構件的工藝參數優(yōu)化升級,對材料不同高度組織演變進(jìn)行針對性的調控,對工藝參數及打印條件調控做出改動(dòng)后,?110mm×66mm的高致密、無(wú)裂紋的Ti-48Al-2Cr-2Nb增壓器渦輪成功成形,這也標志著(zhù)西空智造成為首批可成形鈦鋁復雜結構件的企業(yè)。同時(shí),通過(guò)對掃描路徑及束斑聚焦的優(yōu)化,攻克了薄壁曲形過(guò)渡件成形工藝難題。
圖4 電子束成形?110mm×66mm Ti-48Al-2Cr-2Nb合金增壓器渦輪
通過(guò)對電子束掃描路徑及成形溫度優(yōu)化后成形的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金薄壁圓環(huán)曲形件。
圖5 電子束成形壁厚為1mm的圓環(huán)結構
據悉,美國GE航空已經(jīng)正式宣布GE9XFAA發(fā)動(dòng)機獲得美國聯(lián)邦航空管理局(FAA)的認證,目前該發(fā)動(dòng)機已有300多個(gè)增材制造零部件,其中利用電子束選區熔融技術(shù)成形的鈦鋁低壓渦輪葉片就是其中之一?,F階段,國內針對電子束成形鈦鋁過(guò)程中組織演變及精確控制方面缺少系統性研究,尤其是在電子束成形鈦鋁葉片面向工程化應用方面的基礎更是薄弱。西空智造以現有的技術(shù)為基礎,誠摯希望聯(lián)合國內各大高校、航空航天研究院所、企事單位共同推進(jìn)該領(lǐng)域、該技術(shù)的工程化應用,強強聯(lián)合,攻堅克難,協(xié)同創(chuàng )新,為打好國家核心技術(shù)攻堅戰貢獻我們自己的力量。
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