南非航空航天增材制造业发展前景广阔

南非航空航天增材制造业发展前景广阔

面向航空航天部件制造的粉体熔融成型技术的工业化项目

作者：Peter Middleton

摘自：美国 Industrial Laser Solutions 杂志

科学与工业研究理事会（CSIR；南非比勒陀利亚）的Hrdus Greyling和来自Aerosud Innovation and Training（Aerosud创新培训公司）的Marius Vermeulen发表了他们对于Aeroswift 研发项目的见解。该项目采用了目前世界上比较大型的一台激光增材制造设备，用来进行面向高价值航空航天和其它部件制造的粉体熔融成型（PBF）技术的工业化。

大型粉体熔融成型AM系统

Aeroswift是由航空航天公司Aerosud Innovation Centre（IC，比勒陀利亚）与CSIR合作创立的，旨在促进南非激光增材制造业的发展。“该计划始于2011年，由科学与技术部（DST）和研发合作伙伴提供资金，”Vermeulen表示。“该计划的核心是更好地利用南非的钛资源，同时支持一个新兴的高价值制造业在国内外的发展，”他继续道。

 “多年来，CSIR一直在开发激光和增材制造技术,”Greyling补充道。“目前，我们正在致力于直接能量沉积/激光金属沉积（DED/LMD）技术的商业化，并将其用于工业焊接修复应用，包括服务于我们当地的电力公司ESKOM。该系统设计为可移动式，以便于现场维修，例如大型电站部件的修理，”他补充道。

Aerosud IC是AHRLAC开发的重要合作伙伴，AHRLAC是一种先进的高性能轻型侦察机（图1）。“为了尽可能减轻重量并延长部件寿命， AHRLAC在设计时采用了增材制造的理念，凭借我们开发的Aeroswift粉体熔融成型系统，我们得以开始生产商用AHRLAC部件，如节流手柄、发动机状态杆手柄，和一些钛管道部件，”Vermeulen指出（图2）。

图1：Aerosud IC是AHRLAC飞机开发中的关键合作伙伴。

 图2：Aeroswift粉体熔融成型系统被用于制造AHRLAC飞机的节流手柄、发动机状态杆手柄和一些钛管道部件。

Vermeulen继续称，Aeroswift是一个研发激光增材制造的平台，同时也可以作为原型。“我们的最终目标是设计专用激光增材制造设备，以适应目标应用。虽然我们目前专注于钛，但机器方面并无此限制。”

粉体熔融成型（PBF）体系

Aeroswift机器设计使用高达2000×600×600 mm的大粉末体积，通常用于制造大型航空航天部件或批量的钛制小部件（图3）。 “航空航天是一项涉及小批量，高价值和高集成度应用的业务，而增材制造是满足这一行业需求的理想选择，”Vermeulen说。

Aeroswift机器本身是从零开始设计、开发和建造的，主要集中于机械和光学系统，还包括一些可直接使用或根据用途相应改造的商用子部件。

这台机器的尺寸使这个项目特别令人兴奋。粉末床比任何商用技术都要大，虽然其他制造商目前正在推出大型设备，但据我们所知，我们的设备拥有目前世界上最大的建造容积，”Vermeulen继续道，“我们还使用超高功率激光器，即5千瓦的IPG（IPG Photonics）光纤激光器，以提高生产率并降低成本。”

利用可移动粉体床，建造容积被设计成完全可调节式，从而能够容纳各种建造长度。通过控制系统，可以精细调节建造过程中所涉及的各个参数，包括激光光斑尺寸和功率、镜扫描速率和机械手速度、粉体进给速率、相邻激光轨道间的重叠、层厚，以及激光加工和保护气体组合物。Greyling指出，“我们的控制器为我们提供了控制和优化各个参数的灵活性。”

由于冷却速率高，采用增材制造的钛部件通常具有因淬火而得到的细粒马氏体微观结构。这时的材料的拉伸性能极佳，但伸长率和韧性较差。“一般来说，如果部件性能需要与锻坯相匹配，我们需要进行退火处理以软化结构并使晶粒生长，”Greyling指出。

 “总体而言，我们的目标是优化加工参数，以便在高生产率下实现最佳材料性能，这正是航空航天业所需要的，”Vermeulen补充说。

钛，南非与航空航天

南非拥有世界第二大钛矿产储量，但钛金属并不在本地生产。CSIR正在研究利用当地矿石制造金属，而且在努力通过利用四氯化钛制造粉体，以避免使用传统的、能量密集型的克罗尔工艺。

“在CSIR的试点工厂生产的粉体还不适合我们，因为我们需要一种球化钛合金。但是，一旦实施了下一步，我们将看到一个从本地矿石到球状粉末的供应链，并通过增材制造系统，如Aeroswift，制造出钛部件，”Vermeulen指出。

如果你想问为什么钛在航空航天中变得如此重要，我们需要回顾一下大约20年前，当时大多数飞机都是用铝制成的，95%的铝加上5%的其它材料。目前，波音787和空客350之类的机型都使用了50%以上的碳纤维，而如果碳和铝放在一起，电池效应会导致电偶腐蚀，”他解释说。

钛是铝的理想替代品，由于其材料表面具有耐腐蚀的氧化层，因此具备化学惰性。现在，这些新飞机使用的材料中钛的含量高达14%，而铝的含量相对较低。此外，钛具有优异的强度-重量比，和出色的耐高温性能。

但钛也是一种昂贵的材料，并且难以采用传统技术制造。在铸造过程中，钛对氧和模具材料具有很强的反应性和敏感性。低温下，它是一种很难加工的材料并且会使刀具承受很大的切削压力。因此，成品部件就变得非常昂贵。

 “这就是为什么现代航空航天工业和增材制造商一拍即合的原因。增材制造可使制造更为容易，且浪费更少，机械加工量也更低，”Vermeulen说道。

零部件数量减少也是推动增材制造业发展的一项关键因素，例如，在GE Aviation（通用航空）新开发的先进涡轮螺旋桨发动机上，855个零部件被替换为12个，从而降低了装配成本，并节约了检查、处理、存储和供应的操作成本。由于30%的部件采用了增材制造，计划用于赛斯纳和其它小型飞机的发动机也会更轻、更高效。

另一个例子是用于GE新型LEAP喷气发动机的3D打印燃油喷嘴，其20个采用传统工艺制造的零部件现在通过增材制造工艺已经合并成单一单元。

从成本的角度来看，Vermeulen表示部件的单位成本在快速下降，“凭借更大的Aeroswift平台、更高功率的激光，以及镜头和反射器提供的更快扫描速度，该机器比目前市售的商业系统快6～10倍。这使得部件的单位成本下降到商业报价的三分之一。当我们下调机器以匹配特定的部件需求和成本需求时，这些成本肯定还会下降。

 “如果南非可以开始生产低成本钛，我们就可以占据全球粉体熔融成型技术的前沿。我们的潜力很大，而且还会变得更大，” Vermeulen坚信

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