航空航天是增材制造(AM)發(fā)展的關(guān)鍵市場驅(qū)動力，因?yàn)槠涓邇r值的零件往往需要多品種小批量生產(chǎn)、高度集成的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和快速高效的制造流程。激光增材制造(LAM)航空發(fā)動機(jī)材料近年來取得了快速而顯著的進(jìn)展，包括先進(jìn)的高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金和鈦基合金等。盡管新興材料(如高/中熵合金和異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料)具有良好的機(jī)械性能，但在實(shí)際應(yīng)用于發(fā)動機(jī)零件之前，仍然需要嚴(yán)格的表征、測試、鑒定和認(rèn)證。因此，深入了解這些廣泛使用的航空發(fā)動機(jī)材料的工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-機(jī)械性能之間的關(guān)系，對于推動優(yōu)質(zhì)高性能合金的發(fā)展仍然十分重要。
新加坡制造技術(shù)研究院的研究人員對激光粉末床熔融(LPBF)和激光定向能量沉積(LDED)制備的關(guān)鍵航空發(fā)動機(jī)材料進(jìn)行了綜述，總結(jié)了這些航空發(fā)動機(jī)材料的材料特性和性能范圍，并概述了當(dāng)前的研究空白區(qū)。此外，對LAM面向航空發(fā)動機(jī)材料的研究機(jī)遇、新材料開發(fā)、新興技術(shù)和新型數(shù)字化研發(fā)方法進(jìn)行了展望。近期，該綜述以“Progress and perspectives in laser additive manufacturing of key aeroengine materials”為題發(fā)表在機(jī)械與制造領(lǐng)域頂刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上。全文約5萬字，并且包含51個圖和19個表格。
論文開放下載鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2021.103804
作為高價值產(chǎn)品行業(yè)，航空航天行業(yè)一直是先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的強(qiáng)大推動力。隨著航空工業(yè)對節(jié)能減排、輕量化、可靠性和舒適性要求的不斷提高，傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)越來越難以滿足需求。增材制造(AM)獨(dú)特的逐層沉積方式，為制造幾何形狀、材料、性能和功能較為復(fù)雜的零部件提供了無限可能。因此AM的快速發(fā)展為滿足這些行業(yè)需求提供了可能性。
AM已在航空航天、汽車、電子、醫(yī)療、軍事、建筑等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。全球AM市場規(guī)模從2013年的約30億美元迅速增長到2019年的118.67億美元。如圖1所示，近年來年增長率均超過20%。隨著AM行業(yè)市場規(guī)模的擴(kuò)大，航空航天行業(yè)在2019年將迅速接近20億美元。AM在航空航天行業(yè)的應(yīng)用占據(jù)了整個AM市場的很大一部分，這是因?yàn)锳M應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域有諸多顯著優(yōu)勢，包括: (1) 幾何設(shè)計(jì)和優(yōu)化的自由度高; (2) 功能組合和零件整體化，減少裝配，提高性能和可靠性; (3) 提高材料利用率和能源效率; (4) 定制和小批量生產(chǎn)優(yōu)勢; (5)大大縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)和交付周期。
圖1. Wohlers Report 2014-2020關(guān)于2013-2019年增材制造工業(yè)領(lǐng)域的各行業(yè)市場規(guī)模。 圖3.波音 787 飛機(jī)的 GE CF6 渦輪發(fā)動機(jī)中的材料分布。 圖14.激光增材制造先進(jìn)高強(qiáng)鋼的抗拉強(qiáng)度vs斷裂延伸率匯總圖。 圖15.激光增材制造先進(jìn)高強(qiáng)鋼的強(qiáng)塑積vs屈服強(qiáng)度匯總圖。 圖18.鎳基高溫合金的可焊性隨Al和Ti含量的變化。 圖22.激光增材制造鎳基高溫合金的典型顯微組織特征。 圖26.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸性能匯總。 圖27.激光增材制造鎳基高溫合金的室溫拉伸屈服強(qiáng)度與維氏硬度的關(guān)系。 圖28.激光增材制制造鎳基高溫合金的拉伸性能。 圖34.激光定向能量沉積Ti-6Al-4V合金的典型顯微組織特征。 圖35.激光增材制造Ti-6Al-4V合金中晶內(nèi)亞結(jié)構(gòu)特征。 圖41.選區(qū)激光熔化Ti-6Al-4V合金的疲勞性能匯總及與鍛件Ti-6Al-4V合金的對比。 圖45.激光增材制造先進(jìn)高強(qiáng)鋼、鎳基高溫合金、鈦合金以及TiAl合金的室溫拉伸性能匯總及對比。 圖47. (a) 原位電磁攪拌輔助LDED 裝置的示意圖 [451], (b) 同步感應(yīng)加熱輔助LDED 裝備示意圖 [453], (c) 高強(qiáng)度超聲輔助LDED 技術(shù)的工藝原理及其產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu) [454], (d) O-LHAM 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。 圖50.激光增材制造專用新材料設(shè)計(jì)路線歸納圖。 圖51.面向航空發(fā)動機(jī)的增材制造合金研發(fā)新路線的觀點(diǎn)和展望。
LAM克服了傳統(tǒng)制造方法的缺點(diǎn)，在航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文綜述了航空發(fā)動機(jī)中廣泛使用的先進(jìn)高強(qiáng)度鋼、鎳基高溫合金、鈦合金和鈦鋁合金材料的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，重點(diǎn)分析了LAM加工工藝、微觀組織(如形態(tài)/織構(gòu)、析出相、相組成/相變)和力學(xué)性能(靜態(tài)和動態(tài))之間的關(guān)系；分析了LAM技術(shù)未來的發(fā)展趨勢，提出了基于LAM過程中獨(dú)特的熱輸入研發(fā)專用新材料的方法和思路，設(shè)計(jì)了航空發(fā)動機(jī)零部件數(shù)字化研發(fā)制備路線。
為了確保飛行安全、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，先進(jìn)航空工業(yè)對航空航天部件提出了嚴(yán)格的要求(如輕量化、高強(qiáng)度、高韌性等)。當(dāng)最終目標(biāo)涉及同時優(yōu)化多種材料性能(例如，高強(qiáng)度、隔熱耐火材料和耐腐蝕性)時，傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)和開發(fā)中采用試錯法效率極低。因此，面向高質(zhì)量航空發(fā)動機(jī)部件的新型研發(fā)方式，有助于處理這一復(fù)雜的多目標(biāo)優(yōu)化過程。數(shù)字化技術(shù)的進(jìn)步，如人工智能(AI)和機(jī)器學(xué)習(xí)(ML)，開啟了航空發(fā)動機(jī)部件數(shù)據(jù)驅(qū)動材料開發(fā)的新時代。
圖51所示是作者展望的新型研發(fā)路線圖。新的數(shù)字化技術(shù)可以基于來自高通量實(shí)驗(yàn)基因工程的大數(shù)據(jù)來模擬最佳合金成分、微觀結(jié)構(gòu)演變甚至零件性能。因此，航空發(fā)動機(jī)部件的研發(fā)將涉及多學(xué)科知識和專業(yè)知識，包括基于AI/ML的計(jì)算、多尺度模擬、在線監(jiān)測、微觀結(jié)構(gòu)控制、功能增強(qiáng)、后處理、性能測試和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化等。通過研究人員的集體努力、數(shù)據(jù)共享、加工和測試方法的標(biāo)準(zhǔn)化，增材制造先進(jìn)高性能航空發(fā)動機(jī)新材料和功能件將能夠?qū)崿F(xiàn)。
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