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(lái)主題演講。

    王福德：謝謝大家,，很高興有這個(gè)機(jī)會(huì)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?yàn)槲覐?9年在英國(guó)一直做這個(gè)技術(shù),，現(xiàn)在回到了航天一院,，也一直做這個(gè)技術(shù)。
    我今天講的內(nèi)容主要是五個(gè)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(xiàng)技術(shù)，一個(gè)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(kāi)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(tái)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(tái)電弧的，熔化級(jí)和非熔化級(jí)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(duì)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(hào)上大量采用,。包括最早采用的發(fā)動(dòng)機(jī)保護(hù)罩、掉吊點(diǎn)框良片等等,。包括做了二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪全尺寸樣件研制,，以及發(fā)動(dòng)機(jī)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(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)我們也開(kāi)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(kāi)展,，也是針對(duì)幾種材料開(kāi)展了研究，它的性能都可以達(dá)到關(guān)鍵件的水平,。展會(huì)上都有零件,。
    電弧增材制造是我到了廠之后開(kāi)展的一項(xiàng)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(shí)候特別容易開(kāi)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(dá)到了航空航天國(guó)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(gè)件8—12小時(shí)就可以做完。現(xiàn)在絲用1.0的絲,，送粉速度可以達(dá)到12,，高溫合金可以做到5公斤一小時(shí)左右。
    現(xiàn)在中心發(fā)展路線,，到了2020年實(shí)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(lái)也有裝備集成的設(shè)想,，針對(duì)航天用的一些超大型構(gòu)件開(kāi)展專機(jī)的研制,，不走普世大眾的設(shè)備,，那種設(shè)備我們會(huì)從市場(chǎng)上選購(gòu)，但是針對(duì)超復(fù)雜,、超保密的部件我們會(huì)開(kāi)發(fā)專機(jī),，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(tái)大的LMD設(shè)備和兩臺(tái)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(shí)際上很簡(jiǎn)單,，就是用一臺(tái)機(jī)器人帶著一個(gè)焊機(jī)，首先把三維數(shù)模切片,，形成路徑規(guī)劃,。這個(gè)典型的例子是我當(dāng)時(shí)在英國(guó)做的，這個(gè)零件原來(lái)非常簡(jiǎn)單,，就是一個(gè)錐形保密件采用模板焊起來(lái),，包括兩個(gè)法蘭盤。每次更改設(shè)計(jì)都要重新來(lái)制造工裝,，設(shè)計(jì)出了圖之后六個(gè)月才能看到文件,，測(cè)試一下不行再修改設(shè)計(jì)、修改工裝,，又六個(gè)月,，這樣產(chǎn)品研發(fā)周期非常長(zhǎng)。當(dāng)時(shí)在一次會(huì)議上認(rèn)識(shí)他們的人,，當(dāng)時(shí)他們就到了我工作的學(xué)�,？戳艘幌拢�就給了這個(gè)項(xiàng)目,，12個(gè)小時(shí)我們就都打出來(lái),，當(dāng)時(shí)他們非常驚訝。后來(lái)陸陸續(xù)續(xù)又給我們很多項(xiàng)目,，我們幫他們?cè)诠�廠集成了一套電弧技術(shù),。
    實(shí)際上電弧增材制造是一項(xiàng)非常古老的技術(shù)，那個(gè)時(shí)候沒(méi)有數(shù)字化,，現(xiàn)在數(shù)字化之后,，你說(shuō)它是新技術(shù)就是新技術(shù)，如果說(shuō)增材制造古老也很古老,，1925年美國(guó)就有人在家里焊接,。當(dāng)時(shí)人的大腦就是計(jì)算機(jī)，手就是機(jī)器人，分層切片全在腦子里控制,，就把它做出來(lái)了,。當(dāng)然現(xiàn)在最好的還是大腦，機(jī)器人柔性再大也不如我們手的準(zhǔn)確度,。這個(gè)技術(shù)在80年代的時(shí)候歐洲得到了高速的發(fā)展，因?yàn)楫?dāng)時(shí)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(shí)冶煉技術(shù)沒(méi)有那么復(fù)雜，你想做一個(gè)大的鍛件煉不出來(lái),。當(dāng)時(shí)日本重點(diǎn)開(kāi)發(fā)大型冶煉,，德國(guó)歐洲那邊開(kāi)展電弧溶絲技術(shù)發(fā)展。
    （PPT圖示）這就是用二三十臺(tái)埋霧焊機(jī)堆出來(lái)的,，300小時(shí)每公斤,，而且通過(guò)了德國(guó)河間安全委員會(huì)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(guó)放棄了核電技術(shù),，到目前德國(guó)沒(méi)有一臺(tái)核電，這個(gè)事情很可惜,。后來(lái)到了97年,，隨著工業(yè)機(jī)器人，焊接技術(shù)成本大大降低,，又在合作生產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣,，到了2008年這個(gè)專利過(guò)期了，09年剛好我有幸跑到這個(gè)學(xué)校去工作,，不再做飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的東西了,，因?yàn)槲覀兏�羅羅做了很多項(xiàng)目，羅羅合同比較苛刻,，經(jīng)費(fèi)不追加,，研究?jī)?nèi)容不停追求，搞的這個(gè)合同完成的非常困難,，為了這個(gè)事我們也經(jīng)常跟羅羅發(fā)生爭(zhēng)后來(lái)吵,。后來(lái)我們做飛機(jī)上鈦合金的零件，為什么做這個(gè)零件呢,？因?yàn)殡S著歐洲碳排放開(kāi)始收費(fèi),，以及鈦合金有一段時(shí)間漲價(jià)非常厲害，現(xiàn)在鈦合金件飛機(jī)上都是通過(guò)鍛或者扣出來(lái),，材料利用率非常低,，飛機(jī)上材料利用率一般都在1%，很少超過(guò)5%，最高10%,，收這個(gè)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(gè)鈦合金冶煉100公斤實(shí)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(gè)毛坯,，可以大大提升利用率，減少碳排放,。實(shí)際上電弧成形效率非常高,，但是當(dāng)時(shí)我們的思想不追求它的效率，因?yàn)閷?shí)際上追求零件的效率是兩個(gè)成本的綜合,，如果機(jī)加量大沉積率就低,，如果機(jī)加小沉積率就慢，要找一個(gè)平衡點(diǎn),。我們當(dāng)時(shí)選的是劑量少的機(jī)加,。當(dāng)時(shí)我們沒(méi)有考慮到無(wú)形檢測(cè)的問(wèn)題，回國(guó)之后才知道它需要5毫米的量,，后來(lái)又增加了,。，55：14,，
    （PPT圖示）這是克蘭菲爾德今年做的一個(gè)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(lái)科技組的一線人員,，還在做這個(gè)事。
    15年英國(guó)謝菲爾德大學(xué)投資1百萬(wàn)英鎊建成了世界首臺(tái)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(dòng)機(jī)上的一些筒子，直接斷出來(lái),，上面的法蘭盤等等都可以用電弧增材制造技術(shù)做出來(lái),，可以大大簡(jiǎn)化建造工藝，降低零件的制造成本,。
    最近美國(guó)一家企業(yè)在紐約安裝了32臺(tái)Merke IV設(shè)備,，因?yàn)楂@得了美國(guó)航空管理局認(rèn)證，也就是說(shuō)鈦合金電弧增材制造技術(shù)在國(guó)外是得到認(rèn)可的,，包括青島卓思三維智造也在開(kāi)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(shí)達(dá)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(diǎn)，總結(jié)一下是設(shè)備投資少,，運(yùn)行成本低,。沉積效率很高，可以達(dá)到每小時(shí)幾公斤,，這是指輕金屬的,，不是指剛的或者高強(qiáng)剛的，那更高,，包括鋁合金和鈦合金,。它沒(méi)有粉末引起的安全和健康問(wèn)題。再一個(gè)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(méi)有熔化，不管是送粉還是鋪粉粉末都存在回收,，就會(huì)存在粉末性能下降的問(wèn)題,，這都要考慮，零件長(zhǎng)時(shí)間用混粉不是說(shuō)不可以,，但是要對(duì)它進(jìn)行深刻研究,，給出這個(gè)粉末能混到什么程度，混多少不會(huì)降低性能,。當(dāng)然國(guó)內(nèi)國(guó)外都在做這個(gè)工作,，我們不是說(shuō)這個(gè)不好，肯定要有措施來(lái)保證它的質(zhì)量,。另外是所制造的零件密度高,，幾乎達(dá)到100%，粉末技術(shù)誰(shuí)也不敢保證零件制作過(guò)程中100%顆粒都熔化了,，不然不會(huì)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(gè)要么被融合,，要么全熔化，如果沒(méi)有熔化的話也很好的檢測(cè)質(zhì)量,。還可以實(shí)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(shuō)不可以，非常困難,。
    下面我以鈦合金增材制造為例把這個(gè)技術(shù)向大家進(jìn)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(dá)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(jī)體不停往上生長(zhǎng)，制造過(guò)程中如何能夠滿足航空航天的設(shè)計(jì)要求,？電弧可控制參數(shù)只有那么幾個(gè),，一個(gè)是你要用連續(xù)的或者用脈沖的，通過(guò)電弧本身的參數(shù),，要么用連續(xù)的,，增材制造過(guò)程中電流不變的。我還可以在里面用脈沖的,，脈沖因?yàn)橛须娀�攪拌��,，�?dāng)時(shí)在英國(guó)我們嘗試過(guò)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(guò)這種方式我試了一下，像我采用脈沖可以提高峰值比,，達(dá)到7.7的時(shí)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(shí)候可以成形,。另外到5.3、20,、20,，包括加上高頻沖擊，仍然沒(méi)有實(shí)現(xiàn),。
    后來(lái)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?yàn)榈搅艘欢ǔ潭仍谌鄢厍岸溯斔土舜罅拷饘�,，就可以在里面長(zhǎng)大。當(dāng)然送到3米的時(shí)候,，因?yàn)殡娏髦挥?05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(gè)的時(shí)候不希望參數(shù)控制的非常窄,，因?yàn)樯晕⒆兓�一點(diǎn)無(wú)法成形這個(gè)零件了，也不是很好的工藝,，后來(lái)我把這個(gè)放棄了,。
    后來(lái)我們也做了能不能滿足它的要求的測(cè)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(duì)它進(jìn)行了測(cè)試,。我們當(dāng)時(shí)比的是一個(gè)細(xì)棒，我們做這個(gè)性能跟它比是低的,，棒材藍(lán)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?yàn)樗�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(duì)它進(jìn)行疲勞性能測(cè)試，加到600兆帕看誰(shuí)的壽命長(zhǎng),。棒材基本上不超過(guò)100萬(wàn)次全斷了,，增材除了這三個(gè)在100萬(wàn)斷了之后基本上都是在700萬(wàn)次，很多到了1000萬(wàn)次都沒(méi)有斷,。
    （PPT圖示）當(dāng)然它有氣孔,，這是它的開(kāi)裂源，這是它的氣孔,，氣孔邊上裂紋發(fā)生了擴(kuò)展,，這是什么原因造成的呢？我們做大試板的時(shí)候,，因?yàn)橛械臅r(shí)候做的過(guò)程中絲會(huì)斷,，沒(méi)有送好絲會(huì)粘連，我們把它掐斷再重新送絲的時(shí)候,，實(shí)驗(yàn)室操作人員沒(méi)有帶橡膠手套,，后來(lái)我們對(duì)它進(jìn)行控制之后，包括所有數(shù)據(jù)是三個(gè)板的樣,，我們只有在一個(gè)板子里面發(fā)現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題,，其他都沒(méi)有出現(xiàn)這個(gè)問(wèn)題,。也就是說(shuō)我們對(duì)它進(jìn)行管控的話，可以管控這個(gè)質(zhì)量,，包括疲勞壽命,，它要求做到500萬(wàn)次，當(dāng)時(shí)在800兆帕下面的500萬(wàn)次,，都沒(méi)有發(fā)生斷裂,。
    對(duì)它的性能也進(jìn)行了測(cè)試，它是高于鍛件的,，鈦合金優(yōu)勢(shì)就是它的斷裂性高,，因?yàn)殁伜辖鹗遣煌�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(dòng)態(tài)性能,，靜態(tài)性能有各項(xiàng)異性，所以靜態(tài)運(yùn)行不如它的鍛件,。
    后來(lái)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(cuò),，在后續(xù)增材制造會(huì)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(jìn)行測(cè)試說(shuō)明這個(gè)效果是有益的,，增材性能得到了優(yōu)化,，都可以達(dá)到小的鍛件的要求。
    后來(lái)空殼給了不少錢,，把這個(gè)原理工程化,，現(xiàn)在在英國(guó)已經(jīng)工程化了。現(xiàn)在科技部也支持了一個(gè)項(xiàng)目,，就是在鑄鍛件上長(zhǎng)精細(xì)結(jié)構(gòu),，我們?cè)谟��?guó)也做了一件事，在鑄鍛件上長(zhǎng)了,，把切縫開(kāi)在不同的地方,，在增材制造下面開(kāi)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(lái)我們做了飛機(jī)起落架，起落架可以放下來(lái),，這是給唐馬迪（音譯）做的,，上下基本上是對(duì)稱的，有一個(gè)很大的缺口,，一層一層把它做出來(lái),。表面的粗糙度比大功率激光送粉的補(bǔ)差,，這個(gè)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(lái)我們給BAE做了飛機(jī)翼梁,，當(dāng)時(shí)被BAE稱為歐洲最大的一個(gè)鈦合金的翼梁。后來(lái)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(guó)一個(gè)導(dǎo)彈公司做的推進(jìn)器上面的鈦合金體,，可以達(dá)到鏡面水平，非常好,。當(dāng)時(shí)做出來(lái)法國(guó)人也很驚訝,。
    后來(lái)我們也研究熔化級(jí)的增材制造鈦合金技術(shù)，因?yàn)殡娀∵^(guò)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?yàn)榻z材對(duì)它的擾動(dòng),，它得到的組織和非熔化級(jí)不一樣,，它的組織比較細(xì)小。我們對(duì)它也做了性能的測(cè)試,，強(qiáng)度比非熔化級(jí)高,。
    （PPT圖示）這是電弧增材制造其他材料，高強(qiáng)鋼,，這是給BAE做的高強(qiáng)鋼炮彈,，當(dāng)然這個(gè)技術(shù)做炮彈在戰(zhàn)爭(zhēng)打起來(lái)的話是來(lái)不及供應(yīng)的,。當(dāng)時(shí)做了14發(fā),，在箭上打了8發(fā)，后來(lái)每家留了一發(fā),。
    （PPT圖示）這是做的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)裂等等,。
    （PPT圖示）這是最近美國(guó)NASA做的，這個(gè)技術(shù)在三系列不銹鋼上,，這個(gè)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(zhǎng)黃銅,，這個(gè)技術(shù)到現(xiàn)在也沒(méi)有找到用處,。
    增材制造在航空航天領(lǐng)域需要解決的問(wèn)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(guò)過(guò)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(guò)程里面前車的東西太復(fù)雜了,，化學(xué)的,、物理的、熱的,，誰(shuí)也很難用幾個(gè)方程式表達(dá)出來(lái)用計(jì)算機(jī)去求解,，到現(xiàn)在計(jì)算機(jī)求解都是近似的，很多情況下就是靠實(shí)驗(yàn),，我做了實(shí)驗(yàn)之后仿真來(lái)看看行不行,，然后再修改仿真模型，如果仿真模型套上這個(gè)使用結(jié)果就成功了,，如果不行就要來(lái)回糾正,。我們希望有一個(gè)比較好的計(jì)算機(jī)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(gè)指導(dǎo)性建議，就不用再走一些錯(cuò)路,。這也是我非�,？释�能夠做到的結(jié)果。
    但是增材制造過(guò)程中多種復(fù)雜物理現(xiàn)象相互交織影響和多過(guò)程變量使得過(guò)程控制非常困難，所以不同零件需要不同的工藝參數(shù),，過(guò)程變量隨著零件的制造過(guò)程而發(fā)生變化,。如果不解決這些問(wèn)題，能夠說(shuō)服設(shè)計(jì)大量采用你這個(gè)技術(shù),，我感覺(jué)到還是有一定的時(shí)間,，需要大家一起奮斗。
    工藝過(guò)程不是很成熟,，缺乏穩(wěn)定的過(guò)程控制,，組織性能恒定不夠，缺乏組織性能預(yù)測(cè)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(yàn)收測(cè)試方法，比如我們做的翼梁,，實(shí)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(duì)之處歡迎大家批評(píng)指正,。