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LMD技術(shù)作為快速成型制造技術(shù)的一種，是通過快速成型（RapidPrototyping，RP）技術(shù)和激光熔覆技術(shù)有機(jī)結(jié)合，以金屬粉末為加工原料，采用高能密度激光束將噴灑在金屬基板上的粉末逐層熔覆堆積，從而形成金屬零件的制造技術(shù)。整個(gè)LMD系統(tǒng)包括激光器、激光制冷機(jī)組、激光光路系統(tǒng)、激光加工機(jī)床、激光熔化沉積腔、送粉系統(tǒng)及工藝監(jiān)控系統(tǒng)等。
LMD技術(shù)國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀
增材制造技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段，1892~1988年的技術(shù)孕育期、1988年開始的快速原型技術(shù)及20世紀(jì)90年代初期以來的直接增材制造。1979年，UTRC提出激光立體成形技術(shù)概念并制作出航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤模擬件；1994年起，Rolls-Royce探索航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件激光成形，另外英國(guó)利物浦大學(xué)和美國(guó)密西根大學(xué)、加拿大國(guó)家研究委員會(huì)集成制造技術(shù)研究所、瑞士洛桑理工學(xué)院、美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Los-Alamos國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、美國(guó)Aeromet公司、美國(guó)賓州大學(xué)、英國(guó)伯明翰大學(xué)等都相繼開展研究。由于LMD同軸送粉效率高，材料致密性好，因此，越來越多的用于大型零件的增材制造及零件修復(fù)工作。
國(guó)外有關(guān)大型零件增材制造技術(shù)的研究主要集中在美國(guó)。1995~2005年間，在美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署及海軍研究辦公室等部門的巨額資助下，美國(guó)約翰哈普金斯大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)及MTS公司等對(duì)飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)進(jìn)行了大量研究并取得重大進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，1998年由MTS公司獨(dú)資成立了專門從事飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造技術(shù)研發(fā)和工程化應(yīng)用的AeroMet公司，與波音、洛克希德·馬丁及諾斯羅普·格魯曼等美國(guó)三大軍用飛機(jī)制造商合作，在美國(guó)空軍“鍛造計(jì)劃”（AirForce’sForgingInitiative）、陸軍制造技術(shù)計(jì)劃（Army’sMantechProgram）、國(guó)防部“軍民兩用科技計(jì)劃”（DualUseScienceandTechnologyProgram）等資助下，致力于飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)研究及其在飛機(jī)上的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。2000年9月在波音和洛克希德·馬丁公司完成了對(duì)激光直接成形鈦合金全尺寸飛機(jī)機(jī)翼次承力結(jié)構(gòu)件研究，構(gòu)件靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度達(dá)到飛機(jī)設(shè)計(jì)要求；2001年為波音公司F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)驗(yàn)證機(jī)小批量試制了發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)折疊接頭、翼梁、帶筋壁板等飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件，其中F/A-l8E/F翼根吊環(huán)滿足疲勞壽命譜4倍要求，隨后靜力加載到225%也不破壞；2002年實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18驗(yàn)證機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。此外，美國(guó)還將應(yīng)用于F-22接頭的制造，試驗(yàn)結(jié)果表明其疲勞壽命高出壽命譜的兩倍。
在LMD技術(shù)取得一定突破的時(shí)候，國(guó)外還將該技術(shù)廣泛用于損傷零件的修復(fù)，包括飛機(jī)零部件腐蝕零件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)磨損等零件的修復(fù)。美國(guó)AeroMet公司采用激光成形技術(shù)完成了F15戰(zhàn)斗機(jī)中機(jī)翼梁的檢修；美國(guó)Optomec Design公司，采用激光成形技術(shù)進(jìn)行了T700美國(guó)海軍飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件的磨損修復(fù)；瑞士洛桑理工學(xué)院采用激光成形技術(shù)修復(fù)單晶渦輪葉片。
LMD技術(shù)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)在金屬材料增材制造領(lǐng)域研究起步較早，技術(shù)研究及應(yīng)用方面具有良好的基礎(chǔ)，特別是在國(guó)家自然科學(xué)基金“重點(diǎn)項(xiàng)目”、國(guó)家“973”項(xiàng)目、國(guó)家“863”等重要研究計(jì)劃重點(diǎn)支持下，增材制造技術(shù)得以快速發(fā)展。整個(gè)研究工作主要集中于北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、北京有色金屬研究總院、華中科技大學(xué)、清華大學(xué)等單位。其中在LMD技術(shù)領(lǐng)域上主要以北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等少數(shù)幾家單位。
在“十五”期間，北京航空航天大學(xué)突破了飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)件疲勞、斷裂韌性等主要力學(xué)性能達(dá)到鈦合金模鍛件水平，2005年成功實(shí)現(xiàn)激光快速成形TA15鈦合金飛機(jī)角盒、TC4鈦合金飛機(jī)座椅支座及腹鰭接頭等4種飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件（如圖1所示）在3種飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。
“十一五”期間，北京航空航天大學(xué)在飛機(jī)鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝研究、工程化成套裝備研發(fā)與裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了突破性進(jìn)展，提出了大型金屬構(gòu)件激光直接成形過程“內(nèi)應(yīng)力離散控制”新方法，初步突破大型金屬構(gòu)件激光快速成形過程零件翹曲變形與開裂“瓶頸難題”；突破激光快速成形鈦合金大型結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無(wú)損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件，例如，激光快速成形TA15鈦合金缺口疲勞極限超過鈦合金模鍛件32~53%、高溫持久壽命較模鍛件提高4倍（500℃/480MPa持久壽命由鍛件不足50h提高到激光成形件230h以上），特別是經(jīng)后續(xù)特種熱處理新工藝獲得“特種雙態(tài)組織”（圖2所示）后，其綜合力學(xué)性能進(jìn)一步顯著提高，疲勞力紋擴(kuò)展速率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上（圖3）。
此外，激光快速成形出TA15、TC4、TC21、TC18、TC2等鈦合金先進(jìn)飛機(jī)大型整體主承力關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件、A-100等超高強(qiáng)度鋼起落架等飛機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件、TC11、TC17、Ti60等鈦合金整體葉盤等航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件并在飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到成功應(yīng)用。
西北工業(yè)大學(xué)自1995年開始，在國(guó)內(nèi)首先創(chuàng)造性地提出以獲得極高力學(xué)性能為目標(biāo)的金屬增材成形技術(shù)構(gòu)思，賦予“激光立體成形”之名，依托凝固技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開展了系統(tǒng)的研究工作，建立起了包含材料、工藝和裝備技術(shù)的完整的技術(shù)體系。經(jīng)過近20余年的研究，針對(duì)大型鈦合金構(gòu)件的激光立體成形，解決了大型構(gòu)件變形控制、幾何尺寸控制、冶金質(zhì)量控制、系統(tǒng)裝備等方面的一系列難題，并試制成功C919大飛機(jī)翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件，該類零件尺寸達(dá)450mm×350mm×3000mm（圖4），成形后長(zhǎng)時(shí)間放置后的最大變形量小于1mm，靜載力學(xué)性能的穩(wěn)定性優(yōu)于1%，疲勞性能也優(yōu)于同類鍛件的性能。此外，在LMD技術(shù)零件修復(fù)方面也取得了重大進(jìn)展。TC4激光修復(fù)試樣在低應(yīng)變區(qū)的疲勞壽命高于鍛件，在高應(yīng)變區(qū)低于鍛件，經(jīng)過噴丸處理后及匹配修復(fù)后，高應(yīng)變區(qū)疲勞壽命已非常接近鍛件；圖5所示為航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承后機(jī)匣激光修復(fù)，通過激光修復(fù)軸孔徑向缺陷，成形前安裝邊，恢復(fù)零件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及尺寸，為該發(fā)動(dòng)機(jī)首次裝機(jī)試車提供合格零件；此外，還成功的應(yīng)用于鋁合金導(dǎo)向葉片、不銹鋼機(jī)匣、鈦合金壓氣機(jī)靜子葉片、鎳基合金高壓一級(jí)渦輪葉片等修復(fù)。
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