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金属材料3D打印需要重点研究的技术问题探讨

        采用激光、电子束为热源的3D打印金属构件,就是将金属粉末或金属丝按设定的路径一层层堆焊叠加,最终形成目标零件,其本质是焊接。所以,3D打印金属零件内部必然存在气孔、裂纹、夹杂、未熔合等焊接缺陷,因此金属材料3D打印技术研究的重要课题之一是缺陷控制技术。3D打印成形的金属材料存在组织和力学性能的各向异性,表面质量、尺寸精度和一致性也有别于传统的铸造、锻造,因此3D打印制件的力学性能和尺寸精度是另一个研究重点。另外,如何提高打印效率,降低批量生产成本,也是急需解决的问题。具体来说,金属材料的3D打印技术应在提高3D打印粉末质量和收得率、提高3D打印设备能力和开发过程监控系统、制定3D打印制件无损检测标准规范、建立3D打印材料全面力学性能数据库、研究3D打印材料失效行为及预测寿命几个方面予以重点关注。

1、提高3D打印粉末质量和收得率
        粉末粒度(D50中位粒径)、球形度、流动性、夹杂、气体含量等影响打印件的质量。激光熔融沉积成形对粉末粒度的适应性较宽,从小到几十微米大到几百微米都可以应用,细粉末适合打印精细结构,粗粉末适合打印大尺寸和大加工余量的结构,但粉末粒度小于40ffm时,送粉稳定性变差,不利于成形,而粉末粒度过大,需要采用大功率,过大的热输入将影响某些材料的力学性能。对于激光熔融沉积成形来说,采用粗粉末的打印效率要明显高于细粉末,节约打印时间,降低打印成本。激光和电子束选区熔化成形比较合适的粉末粒度为25~45“m,粉末粒度过大或过小将会增加打印件的表面粗糙度和内部孔隙率。可见,打印零件时应根据打印方法不同、零件技术要求不同,来选择不同粒度的粉末。

        粉末球形度、流动性是影响3D打印制件的重要因素。粉末球形度不好,或者存在较高比例的“卫星粉”,会影响送粉和铺粉的稳定性,影响打印件的外观质量,增加内部缺陷,特别是在送粉时,球形度不好的粉末聚焦性差,粉末焦点分散,降低了粉末利用率,增加了形成缺陷的概率。粉末中的陶质夹杂物和02,N2,H2等气体,会在打印件内部形成高熔点夹杂和气孔。因此,应研究3D打印粉末制备技术,提高粉末质量,并应系统研究粉末质量与打印质量之间的因果关系,建立3D打印粉末分类和质量控制的统一标准。另外,粉末价格是影响3D打印件价格的重要因素,特别是钛合金细粉,价格居高不下,抬高了选区熔化打印件的价格,不利于该技术的推广应用。因此,在提高粉末品质的同时,应研究如何提高粉末的收得率,以及粉末的回收再利用。

2、提高3D打印设备能力和开发过程监控系统
        对于选区熔化3D打印设备,最有代表性的有德国EOS、美国OPTOMEC、瑞典ARCAM,目前中国同类型的自主知识产权设备还存在技术差距。选区熔化3D打印设备主要问题是:一是设备尺寸小,最大的设备也只能打印400mm×400mm×400mm的零件;二是效率较低,零件打印时间长,成本较高;三是表面粗糙度、尺寸精度还不十分理想。如精密铸造表面粗糙度可优于R。3.2,甚至可以达到Ra1.6以下,而激光3D打印件目前最好水平为Ra6.4左右,一般在Ra10以上,电子束铺粉式3D打印表面在Ra20~30左右。因此,需要提高选区熔化3D打印设备的精度,研究打印较大零件的设备,提高打印效率。

        对于激光熔融沉积成形设备,应提高送粉过程的稳定性,这一方面取决于送粉器的稳定性和送粉头的精度。但是不管送粉系统如何精密,由于粉末质量的波动、工艺参数的波动都会影响打印零件的质量,因此需要打印过程的监控系统,能及时发现并自动或人工干预,改善打印质量。如粉末焦点的形状和尺寸,可用粉末成像系统进行测量,如图2所示;采用照相系统实时监视熔池的尺寸和波动以及成形质量,如图所示。由于3D打印是多参数共同影响打印质量,因此打印过程监控显得尤其重要。
粉末脚垫测量系统3D打印成型监视系统
3、 制定3D打印制件无损检测标准规范
        如前所述,金属3D打印的本质是焊接,气孔、夹杂、未熔合、裂纹等焊接缺陷几乎不可避免,图4是某激光送粉式3D打印样件不同批次出现的缺陷情况,可以看出3D打印制件缺陷尺寸、数量,存在随机性和波动性。因此必须建立适于3D打印零件的无损检测方法和标准。一是研究采用什么方法、什么设备去有效识别不同类型缺陷;二是具体结构的无损检测工艺。

        由于3D打印件多为复杂结构,这给元损检测带来了很大难度,采用常规方法存在检测不准和无法检测的,因此需要研究新的检测方法和设备,例如在线检测;三是缺陷类型、尺寸、数量、分布的界定标准。目前缺少工程应用的统一的缺陷控制标准规范。

4、建立3D打印材料全面力学性能数据库
        飞机和发动机一些重要结构承受疲劳载荷,在循环应力、腐蚀或高温环境下,要求有足够的疲劳寿命,确保飞行安全。因此,一种材料或结构是否能够安全可靠使用,需要通过一系列力学性能指标来评价。一般包括:室、高温拉伸性能、室温压缩性能、静力热稳定性能、DFR性能测试、冲击性能、断裂性能、室、高和低温疲劳性能、谱载疲劳性能、裂纹扩展速率及门槛值、谱载裂纹扩展性能、蠕变及持久性能、应力腐蚀开裂KISCC性能等,并且这种评价是多批次的。目前,金属材料3D打印,主要集中在常规力学性能、疲劳性能测试研究,积累的力学性能数据还很有限,所研究的材料牌号也较少,不能为飞机和发动机结构设计提供足够的力学性能数据。
       
        力学性能表征与测试是建立在完善的粉末和打印工艺研究基础上的,也就是通过大量的基础研究,界定了粉末标准、工艺规范、化学成分、缺陷控制标准,在此基础上,表征和测试的对象是在一个标准流程和过程质量控制条件下获得的3D打印材料。在这样的前提条件下,获得的力学性能数据才有意义,才有可比性。

5、研究3D打印材料失效行为及预测寿命
        3D打印材料组织存在不均匀性、各向异性,与锻造相比内部缺陷形态不同,在快速凝固条件下相成分和相比例与传统的铸造、锻造工艺相比存在差异,非加工表面较粗糙,这些差异决定3D打印构件的失效模式和寿命不同于铸造、锻造制件。因此,针对3D打印材料需要深入研究:微观组织特征及演变规律、组织评价方法;在组织不均匀、各向异性条件下的断裂特征与断裂行为;存在气孔、夹杂、未熔合、微裂纹等不同缺陷条件下断裂特征与断裂行为和界定缺陷类型、尺寸、数量、分布;材料表面完整性影响及评价;材料的耐久性和损伤容限特性评估模型;谱载疲劳裂纹扩展行为及寿命预测;特定环境下的材料的损伤与失效;典型结构的破坏与寿命预测;服役条件下的跟踪评估和失效分析等。只有上述失效行为认识清楚了,在航空构件设计选择和3D打印技术应用方面才不至于盲目,才能提高可靠性。

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