航天一院211廠王福德：電弧增材制造技術(shù)

航天一院211廠王福德為我們帶來主題演講。

    王福德：謝謝大家，很高興有這個機會能夠和大家交流211廠增材制造的電弧增材制造技術(shù)。
    剛才楊總介紹了很多增材制造技術(shù)，其中介紹了電弧增材制造技術(shù)，電弧增材制造技術(shù)是一種低成本高效的增材制造技術(shù)，它做不了太復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因為我從59年在英國一直做這個技術(shù)，現(xiàn)在回到了航天一院，也一直做這個技術(shù)。
    我今天講的內(nèi)容主要是五個部分，首先介紹一下211廠3D打印中心。
    （PPT圖示）我們中心有以下幾項技術(shù)，一個是激光選區(qū)熔化技術(shù)，SLM，還有LMD，我們現(xiàn)在也在做電子束溶絲增材制造以及電子束選區(qū)熔化增材制造技術(shù)，紅色的是我們現(xiàn)在已經(jīng)開展的比較成熟的技術(shù)。
    （PPT圖示）這是我們中心的廠房，現(xiàn)在有兩臺激光選區(qū)熔化成形系列設(shè)備，有激光熔化沉積成形裝備，還有一臺電弧的，熔化級和非熔化級的。
    中心現(xiàn)在人員有20余人，博士占比30%，碩士占比57%，35歲以下人員占比50%。
    中心技術(shù)的能力，針對選區(qū)熔化技術(shù)做了TC4、GH4169、316L等等，這些性能都可以跟鍛電相比，一些東西都在型號上大量采用。包括最早采用的發(fā)動機保護罩、掉吊點框良片等等。包括做了二級發(fā)動機葉輪全尺寸樣件研制，以及發(fā)動機接頭，整體氣流、氣壓，現(xiàn)在我們正在做氫氧一體噴嘴，現(xiàn)在新型號的發(fā)動機研制在做一體化。包括安溢活門以及宇航員的頭盔、風(fēng)管。
    同時我們也開展了選區(qū)熔化應(yīng)力分析方面的研究，送粉技術(shù)我們也在開展，也是針對幾種材料開展了研究，它的性能都可以達到關(guān)鍵件的水平。展會上都有零件。
    電弧增材制造是我到了廠之后開展的一項技術(shù)，現(xiàn)在做了像ZL114A、4169等等性能，4169如果大家關(guān)心的話，它做激光送粉大件的時候特別容易開裂，但是現(xiàn)在用電弧做完全可以克服，抑制裂紋的產(chǎn)生，優(yōu)劣性能都達到了航空航天國家標(biāo)準(zhǔn)。
    （PPT圖示）這是我們做的一些演示件，這是管路支架，是圓柱的球面，是交叉的，以及艙段里面的件，以及異形骨架，以及高溫鋁合金件，打印高溫鋁合金這個件8—12小時就可以做完。現(xiàn)在絲用1.0的絲，送粉速度可以達到12，高溫合金可以做到5公斤一小時左右。
    現(xiàn)在中心發(fā)展路線，到了2020年實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展民品輸出，現(xiàn)在完全是忙于軍品的生產(chǎn)和研制，我們未來也有裝備集成的設(shè)想，針對航天用的一些超大型構(gòu)件開展專機的研制，不走普世大眾的設(shè)備，那種設(shè)備我們會從市場上選購，但是針對超復(fù)雜、超保密的部件我們會開發(fā)專機，滿足我們生產(chǎn)和科研的需求。
    中心發(fā)展，現(xiàn)在正在做一臺大的LMD設(shè)備和兩臺小的選區(qū)設(shè)備。（南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。）
    我今天主要是給大家電弧增材制造技術(shù)，實際上很簡單，就是用一臺機器人帶著一個焊機，首先把三維數(shù)模切片，形成路徑規(guī)劃。這個典型的例子是我當(dāng)時在英國做的，這個零件原來非常簡單，就是一個錐形保密件采用模板焊起來，包括兩個法蘭盤。每次更改設(shè)計都要重新來制造工裝，設(shè)計出了圖之后六個月才能看到文件，測試一下不行再修改設(shè)計、修改工裝，又六個月，這樣產(chǎn)品研發(fā)周期非常長。當(dāng)時在一次會議上認(rèn)識他們的人，當(dāng)時他們就到了我工作的學(xué)�？戳艘幌�，就給了這個項目，12個小時我們就都打出來，當(dāng)時他們非常驚訝。后來陸陸續(xù)續(xù)又給我們很多項目，我們幫他們在工廠集成了一套電弧技術(shù)。
    實際上電弧增材制造是一項非常古老的技術(shù)，那個時候沒有數(shù)字化，現(xiàn)在數(shù)字化之后，你說它是新技術(shù)就是新技術(shù)，如果說增材制造古老也很古老，1925年美國就有人在家里焊接。當(dāng)時人的大腦就是計算機，手就是機器人，分層切片全在腦子里控制，就把它做出來了。當(dāng)然現(xiàn)在最好的還是大腦，機器人柔性再大也不如我們手的準(zhǔn)確度。這個技術(shù)在80年代的時候歐洲得到了高速的發(fā)展，因為當(dāng)時60年代隨著核電和石油化工以及煤化工的發(fā)展，需要大的壓力容器，當(dāng)時冶煉技術(shù)沒有那么復(fù)雜，你想做一個大的鍛件煉不出來。當(dāng)時日本重點開發(fā)大型冶煉，德國歐洲那邊開展電弧溶絲技術(shù)發(fā)展。
    （PPT圖示）這就是用二三十臺埋霧焊機堆出來的，300小時每公斤，而且通過了德國河間安全委員會標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)定，但可惜到了1986年核電站發(fā)生了泄露技術(shù)，德國放棄了核電技術(shù)，到目前德國沒有一臺核電，這個事情很可惜。后來到了97年，隨著工業(yè)機器人，焊接技術(shù)成本大大降低，又在合作生產(chǎn)發(fā)動機機匣，到了2008年這個專利過期了，09年剛好我有幸跑到這個學(xué)校去工作，不再做飛機發(fā)動機上的東西了，因為我們跟羅羅做了很多項目，羅羅合同比較苛刻，經(jīng)費不追加，研究內(nèi)容不停追求，搞的這個合同完成的非常困難，為了這個事我們也經(jīng)常跟羅羅發(fā)生爭后來吵。后來我們做飛機上鈦合金的零件，為什么做這個零件呢？因為隨著歐洲碳排放開始收費，以及鈦合金有一段時間漲價非常厲害，現(xiàn)在鈦合金件飛機上都是通過鍛或者扣出來，材料利用率非常低，飛機上材料利用率一般都在1%，很少超過5%，最高10%，收這個零件的碳稅是按100公斤收的，而不是按這1公斤收的，你把這個鈦合金冶煉100公斤實際上排放了很多二氧化碳。這樣就想先用電弧增材制造技術(shù)先做一個毛坯，可以大大提升利用率，減少碳排放。實際上電弧成形效率非常高，但是當(dāng)時我們的思想不追求它的效率，因為實際上追求零件的效率是兩個成本的綜合，如果機加量大沉積率就低，如果機加小沉積率就慢，要找一個平衡點。我們當(dāng)時選的是劑量少的機加。當(dāng)時我們沒有考慮到無形檢測的問題，回國之后才知道它需要5毫米的量，后來又增加了。，55：14，
    （PPT圖示）這是克蘭菲爾德今年做的一個大的火箭燃料箱，鈦合金的，表面質(zhì)量成形非常好，這是我原來科技組的一線人員，還在做這個事。
    15年英國謝菲爾德大學(xué)投資1百萬英鎊建成了世界首臺10X5米的電弧增材制造設(shè)備，大大降低了鍛造成本和制造效率。像航空發(fā)動機上的一些筒子，直接斷出來，上面的法蘭盤等等都可以用電弧增材制造技術(shù)做出來，可以大大簡化建造工藝，降低零件的制造成本。
    最近美國一家企業(yè)在紐約安裝了32臺Merke IV設(shè)備，因為獲得了美國航空管理局認(rèn)證，也就是說鈦合金電弧增材制造技術(shù)在國外是得到認(rèn)可的，包括青島卓思三維智造也在開發(fā)專用的裝備。
    （PPT圖示）這是南方增材電溶增材制造做的零件，每小時達到420公斤，效率非常高，所以我也非常驚訝。
    電弧增材制造技術(shù)特點，總結(jié)一下是設(shè)備投資少，運行成本低。沉積效率很高，可以達到每小時幾公斤，這是指輕金屬的，不是指剛的或者高強剛的，那更高，包括鋁合金和鈦合金。它沒有粉末引起的安全和健康問題。再一個是材料利用率高，絲材完全熔化，全部變成里面的一部分。粉末現(xiàn)在一部分熔化，一部分沒有熔化，不管是送粉還是鋪粉粉末都存在回收，就會存在粉末性能下降的問題，這都要考慮，零件長時間用混粉不是說不可以，但是要對它進行深刻研究，給出這個粉末能混到什么程度，混多少不會降低性能。當(dāng)然國內(nèi)國外都在做這個工作，我們不是說這個不好，肯定要有措施來保證它的質(zhì)量。另外是所制造的零件密度高，幾乎達到100%，粉末技術(shù)誰也不敢保證零件制作過程中100%顆粒都熔化了，不然不會出現(xiàn)那么多后處理，尤其考慮疲勞性情況下，大家都還是心有余悸的。而這個要么被融合，要么全熔化，如果沒有熔化的話也很好的檢測質(zhì)量。還可以實現(xiàn)合金成分的剪裁。零件的復(fù)雜程度低，它不可以做非常復(fù)雜的零件，不像選區(qū)成形可以做成很復(fù)雜的流道，這不可以，也不是說不可以，非常困難。
    下面我以鈦合金增材制造為例把這個技術(shù)向大家進一步解釋一下。（PPT圖示）大家知道，增材制造鈦合金組織是這樣的，發(fā)達的柱狀金，像這種組織能不能滿足航空航天的需求？這是這些技術(shù)能不能被應(yīng)用的關(guān)鍵。腐蝕拋光之后，沿著機體不停往上生長，制造過程中如何能夠滿足航空航天的設(shè)計要求？電弧可控制參數(shù)只有那么幾個，一個是你要用連續(xù)的或者用脈沖的，通過電弧本身的參數(shù)，要么用連續(xù)的，增材制造過程中電流不變的。我還可以在里面用脈沖的，脈沖因為有電弧攪拌力，當(dāng)時在英國我們嘗試過超音頻高頻脈沖，加上之后電弧就被壓縮了，熱輸量就比較集中。通過這種方式我試了一下，像我采用脈沖可以提高峰值比，達到7.7的時候電弧吹力非常大，把金屬吹的到處跑，不能成形。但是到6.7的時候可以成形。另外到5.3、20、20，包括加上高頻沖擊，仍然沒有實現(xiàn)。
    后來改變送磁速度，當(dāng)然要提高速度等一系列的變化，我們發(fā)送磁速度比較有作用，因為到了一定程度在熔池前端輸送了大量金屬，就可以在里面長大。當(dāng)然送到3米的時候，因為電流只有105氨，基本上到了極限狀態(tài)了，不可以再熔化了。工藝創(chuàng)造非常窄的話，工人做這個的時候不希望參數(shù)控制的非常窄，因為稍微變化一點無法成形這個零件了，也不是很好的工藝，后來我把這個放棄了。
    后來我們也做了能不能滿足它的要求的測試，這是雜質(zhì)狀態(tài)的，這是雙向組織，最后取了橫向、縱向和拉伸疲勞的樣品，對它進行了測試。我們當(dāng)時比的是一個細棒，我們做這個性能跟它比是低的，棒材藍顏色是斷裂性的，紅顏色是屈服性能，不管橫向還是縱向都比它低，因為它的組織是不一樣的，棒材組織都是雙向組織，它們的組織不一樣。對它進行疲勞性能測試，加到600兆帕看誰的壽命長。棒材基本上不超過100萬次全斷了，增材除了這三個在100萬斷了之后基本上都是在700萬次，很多到了1000萬次都沒有斷。
    （PPT圖示）當(dāng)然它有氣孔，這是它的開裂源，這是它的氣孔，氣孔邊上裂紋發(fā)生了擴展，這是什么原因造成的呢？我們做大試板的時候，因為有的時候做的過程中絲會斷，沒有送好絲會粘連，我們把它掐斷再重新送絲的時候，實驗室操作人員沒有帶橡膠手套，后來我們對它進行控制之后，包括所有數(shù)據(jù)是三個板的樣，我們只有在一個板子里面發(fā)現(xiàn)這個問題，其他都沒有出現(xiàn)這個問題。也就是說我們對它進行管控的話，可以管控這個質(zhì)量，包括疲勞壽命，它要求做到500萬次，當(dāng)時在800兆帕下面的500萬次，都沒有發(fā)生斷裂。
    對它的性能也進行了測試，它是高于鍛件的，鈦合金優(yōu)勢就是它的斷裂性高，因為鈦合金是不同的組織，可以得到不同的性能。恰恰增材制造可以得到好的動態(tài)性能，靜態(tài)性能有各項異性，所以靜態(tài)運行不如它的鍛件。
    后來我們做一層軋一層，在里面產(chǎn)生了變形，里面產(chǎn)生了大量的為錯，在后續(xù)增材制造會恢復(fù)再結(jié)晶，我們就把它的組織從柱狀晶變成了等軸晶。這樣再進行測試說明這個效果是有益的，增材性能得到了優(yōu)化，都可以達到小的鍛件的要求。
    后來空殼給了不少錢，把這個原理工程化，現(xiàn)在在英國已經(jīng)工程化了。現(xiàn)在科技部也支持了一個項目，就是在鑄鍛件上長精細結(jié)構(gòu)，我們在英國也做了一件事，在鑄鍛件上長了，把切縫開在不同的地方，在增材制造下面開缺口，采用鑄鍛混合制造看它的性能如何，最后都是符合要求的。
    （PPT圖示）后來我們做了飛機起落架，起落架可以放下來，這是給唐馬迪（音譯）做的，上下基本上是對稱的，有一個很大的缺口，一層一層把它做出來。表面的粗糙度比大功率激光送粉的補差，這個得到了歐洲航天局高度認(rèn)可，被稱為具有突破性的3D打印技術(shù)。后來我們給BAE做了飛機翼梁，當(dāng)時被BAE稱為歐洲最大的一個鈦合金的翼梁。后來又陸續(xù)做了很多鈦合金零件，包括怎么做接頭，這是非常關(guān)鍵的技術(shù)。為了看電弧能不能做到非常平整，我們跟法國一個導(dǎo)彈公司做的推進器上面的鈦合金體，可以達到鏡面水平，非常好。當(dāng)時做出來法國人也很驚訝。
    后來我們也研究熔化級的增材制造鈦合金技術(shù)，因為電弧過度鈦合金非常不穩(wěn)，我們采用了一些技術(shù)，可以降低它的飛濺，因為絲材對它的擾動，它得到的組織和非熔化級不一樣，它的組織比較細小。我們對它也做了性能的測試，強度比非熔化級高。
    （PPT圖示）這是電弧增材制造其他材料，高強鋼，這是給BAE做的高強鋼炮彈，當(dāng)然這個技術(shù)做炮彈在戰(zhàn)爭打起來的話是來不及供應(yīng)的。當(dāng)時做了14發(fā)，在箭上打了8發(fā)，后來每家留了一發(fā)。
    （PPT圖示）這是做的火箭發(fā)動機上的一些高溫合金，這里面做的現(xiàn)在是比較成功的，控制了變形、開裂等等。
    （PPT圖示）這是最近美國NASA做的，這個技術(shù)在三系列不銹鋼上，這個技術(shù)我們現(xiàn)在正在做。
    （PPT圖示）這是一種材料，在鋼上面長黃銅，這個技術(shù)到現(xiàn)在也沒有找到用處。
    增材制造在航空航天領(lǐng)域需要解決的問題，我總結(jié)了一下，包括多種復(fù)雜物理現(xiàn)象相互交織影響，傳熱、傳質(zhì)、熔池流體力學(xué)，熔化、凝固、固態(tài)相變等等。還包括過過程變量，零件尺寸、形狀，還有應(yīng)力狀態(tài)、缺陷，以及宏觀組織、微光組織、宏觀結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)和化學(xué)梯度。冶金過程里面前車的東西太復(fù)雜了，化學(xué)的、物理的、熱的，誰也很難用幾個方程式表達出來用計算機去求解，到現(xiàn)在計算機求解都是近似的，很多情況下就是靠實驗，我做了實驗之后仿真來看看行不行，然后再修改仿真模型，如果仿真模型套上這個使用結(jié)果就成功了，如果不行就要來回糾正。我們希望有一個比較好的計算機仿真軟件，能夠預(yù)算精度，精度高速度又快，至少能夠給我一個指導(dǎo)性建議，就不用再走一些錯路。這也是我非常渴望能夠做到的結(jié)果。
    但是增材制造過程中多種復(fù)雜物理現(xiàn)象相互交織影響和多過程變量使得過程控制非常困難，所以不同零件需要不同的工藝參數(shù)，過程變量隨著零件的制造過程而發(fā)生變化。如果不解決這些問題，能夠說服設(shè)計大量采用你這個技術(shù)，我感覺到還是有一定的時間，需要大家一起奮斗。
    工藝過程不是很成熟，缺乏穩(wěn)定的過程控制，組織性能恒定不夠，缺乏組織性能預(yù)測的方法。缺乏相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，最關(guān)鍵的是可接受的零件驗收測試方法，比如我們做的翼梁，實際上我們想兩邊留10毫米的余量，材料利用率也高，但是不行，這邊要5毫米增加，那邊要5毫米增加，一下子就增加了10毫米，這樣不行。
    我就講這些，不對之處歡迎大家批評指正。