增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景三：航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件多材料一體化制造

來源：增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟

2022年8月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《首批增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景名單》，經(jīng)過地方推薦、專家評(píng)審、社會(huì)公示等程序，形成了首批增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景，共有工業(yè)、醫(yī)療、建筑、文化等領(lǐng)域的36個(gè)優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場(chǎng)景入選。

為加快增材制造先進(jìn)技術(shù)與裝備應(yīng)用推廣，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟設(shè)立“增材制造典型應(yīng)用場(chǎng)景案例專欄”，從需求痛點(diǎn)、案例介紹、技術(shù)先進(jìn)性、應(yīng)用成效、下一步計(jì)劃等角度立體展示優(yōu)秀成果案例。

現(xiàn)將第三期“航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件多材料一體化制造”發(fā)布如下。

場(chǎng)景類型	多材料結(jié)構(gòu)一體化制造
場(chǎng)景項(xiàng)目名稱	航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件多材料一體化制造
場(chǎng)景項(xiàng)目單位	制造商	南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司
	應(yīng)用單位	上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)

一、背景概述

（一）需求痛點(diǎn)

為了適應(yīng)新一代航空、航天結(jié)構(gòu)“輕量化、梯度化、結(jié)構(gòu)功能一體化”的發(fā)展趨勢(shì)，克服極端工作溫度、大跨度載荷等多約束條件對(duì)金屬材料性能的影響，功能梯度材料應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)粉末冶金、焊接等功能梯度材料的制造方式具有一定的局限性，制約了新型材料結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，急需合適的新工藝，金屬增材制造是一種非常具有潛力的新型加工技術(shù)。

（二）解決方案

激光定向能量沉積技術(shù)（Laser direct energy depositionLDED），又稱為激光直接制造（Laser direct manufacturing，LDM），其原理是基于離散-堆積的思想，采用激光作為熱源，熔化同步送入熔池的金屬粉末，層層堆積，直接制造出實(shí)體結(jié)構(gòu)。

在LDM 技術(shù)中，激光作為熱源將粉末與基體表面加熱至熔化，熔池快速凝固后形成沉積層，在這個(gè)過程中，通過改變多種合金粉末的配比，就可在零件的任意位置獲得所設(shè)計(jì)的材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能梯度功能材料、多材料一體化制備和最終成形，成為集材料設(shè)計(jì)、加工制備于一體的智能化、柔性化制造系統(tǒng)。

二、案例介紹——TC4基材表面梯度功能涂層制備

（一）案例描述
鈦合金具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，由其制造的金屬結(jié)構(gòu)部件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，但鈦合金的耐高溫性能不足，通過材料梯度化提高鈦合金的耐高溫性能具有重要意義。通過激光熔覆，在TC4基材表面制備出了連續(xù)過渡的梯度功能涂層：

（1）采用RC-LDM8060型激光增材制造設(shè)備制造Ti6Al4V/Inconel718功能梯度材料

該系統(tǒng)由YLS-3000光纖激光器、同軸送粉激光頭、雙桶送粉器以及3軸數(shù)控機(jī)床等組成。在氬氣保護(hù)的密封箱體內(nèi)進(jìn)行，在TC4基材表面制備出的功能梯度涂層組織致密，成分性能連續(xù)過渡，如下圖所示。

△梯度涂層宏觀金相圖和各區(qū)域顯微組織（a→e 由 TC4 基材至頂部 IN718 涂層）

△成分變化以及顯微硬度變化（由基材至梯度涂層頂部）

（2）采用RC-LDM8060型激光增材制造裝備制造Ti6Al4V/Inconel625功能梯度涂層
該系統(tǒng)由 YLS-3000 光纖激光器、同軸送粉激光頭、雙桶送粉器以及3軸數(shù)控機(jī)床等組成。在氬氣保護(hù)的密封箱內(nèi)進(jìn)行，在TC4基材表面制備出的功能梯度涂層組織致密成分性能連續(xù)過渡，如下圖所示。

△梯度涂層宏觀金相圖和各區(qū)域顯微組織

（a→d 由 TC4 基材至頂部 IN625 涂層）

△成分變化以及顯微硬度變化

（a、b、c 依次為底→頂三個(gè)結(jié)合區(qū)域的元素變化）

（二）技術(shù)水平及先進(jìn)性

該類增材制造裝備在功能梯度材料的制備上首次集成了多通道送粉裝置，可同時(shí)支持最多六種金屬粉末的輸送，并開發(fā)了專用的混粉功能模塊，實(shí)現(xiàn)多路金屬粉末的原位均勻混合。針對(duì)多路送粉功能開發(fā)了送粉控制軟件，研究人員可通過預(yù)先的材料成分設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)更改增材制造過程中材料的配比，實(shí)現(xiàn)均勻過渡。

三、應(yīng)用推廣成效

中科煜宸已為多家科研院所及高校定制生產(chǎn)了多臺(tái)多材料高通量打印專用設(shè)備，滿足了對(duì)梯度材料、高熵合金等的開發(fā)需求，其成果已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶、模具等行業(yè)，有力推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，也為工業(yè)制造領(lǐng)域的終端用戶提供了上百套智能金屬激光增材制造裝備。中科煜宸已成為國內(nèi)工業(yè)化金屬激光增材制造裝備的主要供應(yīng)商之一，并與客戶合作完成多型增材制造產(chǎn)品的開發(fā)。

△TiC 顆粒增強(qiáng)鈦基梯度材料

△鈦鋁梯度材料

四、下一步提升及推廣

下一步，中科煜宸將利用同軸送粉技術(shù)多材料復(fù)合制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)鈦合金-鈦鋁合金、高溫合金-不銹鋼、高溫合金-銅合金等的功能梯度材料/結(jié)構(gòu)制備研究，進(jìn)行異種材料的立體成型，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管等的一體化制造研發(fā)。

（撰寫單位：南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司）