行业动态

国内空天动力部门对3D打印材料发展有哪些期待

2019年09月23日

    航空、航天、军工是3D打印的重要应用领域,也是最能发挥3D打印优势的行业。从导弹到火箭,从发动机到卫星,3D打印开辟了结构设计的全新可能性,它在结构减重、强度、传热等方面具有极大的优势。

    在一次增材制造的会议中,笔者了解到国内的航空航天部门在3D打印材料的基础研究、典型结构件、方案验证等级别的攻关中均已取得开创性成果。一些前沿的应用包括,歼-15战机前起落架大型整体钛合金支撑框采用3D打印制造,嫦娥四号实现3D打印零件在轨应用,千乘一号卫星主结构是国际首个基于3D打印点阵材料的整星结构等等。

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嫦娥四号着陆月球背面

    这样的应用案例还有很多,这些成果的取得离不开先进的工艺,也离不开强大的材料。以高温合金为例,在现代先进的航空发动机中,高温合金材料的使用量占发动机总质量的40-60%。目前高品质的粉末材料已基本实现国产自给自足,然而国内空天动力部门却也对国内材料产业发展有自己的一套看法。

    ▌空天应用对3D打印材料的需求

         适合3D打印高温合金牌号研发

    ● 批次稳定性和可靠性提升

    ● 多材料复合设计与制备

    ● 成型工艺参数最优化

    ● 力学+热学性能协同优化

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3D打印镍基高温合金航空发动机机匣

    ▌3D打印高温合金研究与应用存在的问题

    ● 高温强度及塑性低,性能稳定性差

    ● 微结构与性能间的本构关系认知浅

    ● 热处理强化机理不同,热处理优化研究不系统

    ● 高温性能数据积累少

    ● 适合3D打印的高温合金材料牌号少,急需研究新牌号

    ● 原材料大量依赖进口,不利于自主可控发展

    ● 3D打印高温合金的标准和规范缺乏

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3D打印镍基高温合金航空发动机叶轮

    ▌3D打印高温合金原材料:需自主可控,国产替代亟待发展

    ---国内现状---

    ● 制粉装备多        收得率低

    ● 粉末品质较低      稳定性差

    ● 缺少规范          部件打印主要依赖进口粉

    ---技术问题---

    ● 母合金   纯净度  稳定性

    ● 粉末球形度

    ● 粉末流动性  粒度分布  粒度配比

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3D打印GH4169火箭发动机预旋喷嘴

    当前,航空航天和国防工业中的重要工程对3D打印应用的需求在不断增加,高温合金用量在持续稳步增长,高质量低成本的金属粉末制备技术已成为制约金属3D打印深入应用的瓶颈。

    从上面的评述也可看出,国内金属3D打印材料的发展问题仍然颇多,核心关键材料和工艺尚需进一步发展,相关的基础性研究也需要大力跟上。


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