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弗尔德(上海)仪器设备有限公司
主营产品:粉碎、研磨、筛分设备,粒度粒形分析仪,烘箱,马弗炉,碳/氢/氧/氮/硫元素分析仪
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商业航空发展正当时,航空增材制造再回顾

发布:弗尔德(上海)仪器设备有限公司
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中国航空航天

Aerospace of China



航空航天产业近期捷报频传,根据媒体公开报道,国产大飞机C919集齐三大航订单,额度超过300架,对进口飞机的替代再次提速。与此同时,嫦娥六号探测器月背采样顺利进行,5月3日嫦娥六号探测器由长征五号遥八运载火箭在中国文昌航天发射场发射之后准确进入地月转移轨道,6月4日携带月球样品的嫦娥六号上升器自月球背面起飞,随后成功进入预定环月轨道,嫦娥六号完成世界首次月球背面采样。

(嫦娥六号探测器 图片来源:新华网)

C919商业航空及嫦娥六号探测器的航天工程的发展无疑是技术和材料共同突破的结果。从材料科学的角度而言,航空材料不断从常规材料向先进材料发展,极大提升了航空航天器件的性能,这些材料具有轻质高强、耐高温、耐腐蚀等特性,能够满足航空航天器在极端环境下的使用需求。随着跨学科的交叉融合和数字化技术对新材料的赋能,会进一步推动航空航天的发展

在下文中,我们将从材料学角度、围绕增材工艺,对弗尔德产品在航空增材上的应用做一个梳理,希望对广大用户朋友能有所裨益。

航空航天增材及其应用

众所周知,航空航天领域高新技术密集,高端装备的服役性能很大程度上取决于金属构件的性能。采用铸、锻、焊、机加工等传统制造技术生产航空航天领域用金属构件,往往需要重型装备和大型工模具,技术难度大,材料加工余量大、利用率低,生产周期长、成本高,已难以满足需求。增材制造基于对实际问题的解决需求应运而生,其中金属增材制造是以激光、电子束或电弧作热源,根据三维模型数据将材料、逐层堆积,进而实现金属构件的直接制造。

常用的航空航天领域金属增材制造工艺(表1)

当然,航空航天领域用增材制造金属材料种类繁多,根据其化学成分,重要可以分为铁基合金、镍基合金、钴基合金、铝基合金、铜基合金等。

常用的航空航天领域增材制造金属材料(表2)

资料来源:期刊文章《航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展》


从增材粉末到零部件——应用于航空航天增材制造各环节

就表1中例举的航空航天用金属增材直接合成工艺而言,都需要经过粉末制备、粉末输送、光源照射粉末局部融化以及后处理流程。为此,事业部旗下的各品牌为航空航天用金属增材制造提供了从粉末合金化制备到粒度粒形分析、元素分析、热处理、微观结构分析和硬度测试的一体化解决方案,贯穿于增材制造的各环节。

在增材领域的应用一览

机械化学法实验室制备合金粉末



以最常见的增材制造用金属粉末为例,其主要制备方法通常有气雾化法、电解法、化学还原法、机械合金化、等离子旋转电极法,每种方法都基于不同的原理并适用于不同场景。其中,机械合金化是一种通过高能球磨来制备合金粉末的方法。在封闭的容器中,将金属粉末与球磨球一同高速旋转,通过机械力的作用使粉末颗粒发生塑性变形、冷焊和断裂,从而得到细小且均匀的合金粉末。因而这是一种利用机械能促进化学反应的技术,它通过高能球磨引发固相反应从而合成新合金,非常适合用于实验室研发制备新的增材用合金粉末。特别地,在中/高熵增材合金制备中,通过长时间的球磨过程将不同元素有效地达到微观层面的均质混合,从而避免分离或偏析。

球磨仪用于机械合金化制备举例—CoCrNi中熵合金粉末

不同球磨时间 CoCrNi 的 SEM 形貌

Retsch

 Emax 高能球磨仪

更精细 更控温 更高效

高能球磨仪Emax,运行过程利用摩擦力和碰撞力结合,在短时间能迅速研磨样品,rpm可达2000。相比常用的行星式球磨仪,实验显示Emax的时间明显更少,不仅如此,最后的结果也显示转化率更高,无定形态更少、发热结块现象也更少。

如您想了解更多Emax高能球磨仪,可参考往期已发表文章《浅谈一种适用于实验室机械合金制备的设备——高能球磨仪》

动态图像法测量粉末粒形粒径



增材粉末制备好以后,需要对粉末的粒形粒径进行分析。不同的增材制造工艺对金属粉末的粒度有不同要求:15-53μm(SL工艺) ;53~105μm/53- 150μm(EBM、LDM 工艺),当然对金属粉末的球形度要求高是所有工艺的共同特点。

在这里我们介绍一种有别于筛分法和激光粒度分析法的图像分析技术,为颗粒粒径分析提供一种直接测定方法。基本原理很简单:所见即所得。自动软件算法基于单个颗粒图片确定颗粒的粒径粒形信息,从而直接获得颗粒长度及宽度信息。

值得注意的是,增材德国工程师协会VDI在《Additive manufacturing processes, rapid manufacturing Beam melting of metallic parts Characterisation of powder feedstock》(VDI 3405 Part 2.3)将动态图像法作为增材制造金属粉末粒径粒形分析的首选方法。美国材料试验协会ASTM在《Additive manufacturing — Feedstock materials — Methods to characterize metal powders》(ASTM 52907:2019), 也将动态图像分析法列为金属粉末粒度分析的方法之一。

CamsizerX2对增材粉末检测举例—TC4粉末

  粒径分布(左)与颗粒图像(右)

MRB

Camsizer X2图像分析仪器

所见即所得 信息更丰富

增材粉末颗粒球形度要求高且粒度分布均匀、较窄,以形成光滑、均匀的粉末层,确保准确烧结,譬如平均颗粒粒径通常在10-50 μm之间,过大颗粒或非常不规则的颗粒可能会导致成品缺陷。Camsizer X2不但可以精确地检测到这些样品颗粒,甚至可以轻易识别缺陷颗粒,对增材制造的粉末质量控制大有裨益。

可控气氛炉热处理去除应力



在直接成型工艺中,激光产生的高热量会在打印过程中产生高热应力。GPCMA可控气氛箱式炉配备了金属工艺内腔,可提供可控气氛的热处理环境。非常适合用于消除工件的应力,尤其是用DMLS/SLM/EBM成型工艺的工件。该系列的炉子也可以选择符合AMS2750G Nadcap1级航空航天标准。

Carbolite Gero

GPCMA可控气氛炉

符合AMS275G标准

炉子采用落地式设计,平行导向炉门。根据工艺内腔材质,最高温度范围从1000℃到1150℃。工艺内腔的容积从37升到245升不等。根据应用要求,氧气含量最低可以降到30ppm。

关于《航空热处理炉的日常使用和数据处理》,我们曾出过同名专题讲座,若您有兴趣欢迎回顾。此外,我们曾从热处理工艺上对增材成品失效的原因进行解析,参考如下《3D打印成品率低的原因?》。

粉末原料及成品的元素分析



航空增材制造中使用的金属粉末的纯度和成分对最终产品的质量有着直接影响。非金属元素,如氧、氮或碳等,可能会以杂质的形式存在于金属粉末中,影响产品的机械性能和耐腐蚀性。通过分析这些非金属元素的含量,可以更好地控制产品质量。特别地,在往期的文章中,我们曾从航空AMS标准的角度谈过航空材料非金属元素的必要性,感兴趣的读者可以查看文章《航空航天材料中的非金属元素检测与分析》

简单来说,AMS标准涵盖了材料的理化性能、机械性能、微观结构和制造过程,用途最为广泛的铝合金、钛合金以及镍基高温合金都有相应的材料标准。在日常的材料性能检测中,除了主合金元素,微量的非金属元素也是重要的检测部分,以确保这些元素在允许的范围。以钛合金为例,AMS 4911规范针对Ti-6AL-4V钛合金的化学成为有明确的要求,规定了氧含量通常不超过0.20%,碳通常不超过0.08%;氢通常不超过0.015%,氮通常不超过0.05%。对上述元素的分析检测是Eltra元素分析仪的典型应用,我们在在该领域积累了丰富的经验,立足于帮助客户对相关材料进行质量管理或达到行业标准。

Eltra元素分析仪ONH检测示例—钛合金

Eltra

ONH元素分析仪器

自动进样和自动清扫让元素检测更简单

Eltra ONH分析仪是一台惰性气体熔融燃烧分析仪,使用红外检测器检测样品中氧元素,热导检测器则检测样品中的氮元素和氧元素。可配置带有32个坩埚位置的自动进样器,实现两个小时的无人值守,提升检测效率。

粉末原料及成品的金相与硬度



成型件的性能一直是航空增材制造工艺关注的重点。众所周知,材料的微观组织结构将直接影响材料的性能。增材制造逐层打印的工艺特点决定了成型金属件中存在粗大柱状晶、热应力及孔隙、裂纹和夹杂等结构缺陷的可能性。在金属增制造材料的研发和从原材料粉末到成型件的质量控制中,除了常见的机械性能测试,也时常需要通过金相检测来分析微观组织。

Q1

如何获得真实的孔隙度?

A

增材样品中孔隙度的评定至关重要,样品制备操作不当,可产生金相组织的假象。例如,制备某些材料时,软相金属或杂质可能转移到孔隙中,致使检验结果显示孔隙很少。此时需要适当延长抛光时间,“打开”孔隙。

Q2

如何制备增材粉末原料?

A

对金属增材粉末原料进行金相分析主要是检测粉末的空心粉率。粉末样品制备前必须进行镶嵌,视应用不同可选择热镶嵌或冷镶嵌方法。热镶嵌适用于硬度高的粉末材料。镶嵌时可借鉴辅助镶嵌装置,将粉末集中圈定到特定区域。推荐使用环氧保边型树脂,以提升对粉末颗粒的包裹性。冷镶嵌适用于密度较大的粉末材料。将粉末原料与粘性低、流动性好的环氧树脂充分搅拌混合均匀后在室温下固化即可。金属粉末磨光时可选择砂纸,抛光时应避免使用长绒抛光布以防止粉末颗粒脱落。

铝合金制样方案举例-AlSi10Mg合金件



样品制备中的QATM设备推荐:

Qpress50 热镶嵌机

模块化设计,多单元搭载

可快速、同步或单独镶嵌不同材料试样的模块式镶嵌机。模块化设计可配备多达3个附加镶嵌单元,总计4个。

Qpol 250BOT全自动磨抛机

全自动磨抛系统:实现金相样品制备自动化

将研磨和抛光工位、超声波清洗工位、介质更换器、加液系统和沉淀槽结合到一台设备中,并与系统实验室无缝合成。

Qness60A+ EVO显微硬度计

显微硬度计:一机实现硬度测试+显微分析

显微硬度计试验力范围从0.25g-62.5kg, 带八位转塔,可实现全自动无人测试与循环分析。



目前,金属增材制造技术已发展成提高航空航天设计与制造能力的核心技术,其应用范围已从零部件(飞机、卫星、高超飞行器、载人飞船的零部件打印)扩展至整机(发动机、无人机、微/纳卫星整机打印)。采用金属增材制造技术可实现复杂金属构件的材料?结构一体化净成形,为航空航天高性能构件的设计与制造提供了新的途径。未来,航空航天高端装备将继续朝着整体性、高复杂、高性能、长寿命、高可靠性及低成本的方向发展。在征服宇宙的征途上,让我们一起见证航空航天事业的蓬勃发展。


弗尔德(上海)仪器设备有限公司隶属全球技术领先者-弗尔德集团旗下,提供最先进的样品处理与分析设备及解决方案。

旗下六大品牌:德国Retsch(莱驰)粉碎、研磨、筛分设备,德国Microtrac MRB(麦奇克莱驰)多功能粒度粒形分析仪,Carbolite?Gero(卡博莱特?盖罗)烘箱、高温烘箱、箱式马弗炉、灰化炉、管式马弗炉、气氛马弗炉、真空马弗炉、高温马弗炉及工业定制炉,Eltra(埃尔特)碳/氢/氧/氮/硫元素分析仪,QATM(奥德镁)切割机、镶嵌机、磨抛机、硬度计,ERWEKA制药行业测试设备。

服务于全球无数实验室、制造商和科研机构,是客户最忠实的合作伙伴。弗尔德致力于和客户共同进步成长,为客户提供有效可靠的产品、流程和工艺方法,使其能够更安全、更高效、更持久地发展业务。我们希望通过不懈努力,不断推动技术进步,使世界变得更加健康和安全。

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