[00118689]难成形材料非轴对称环形件电弧熔积-微型轧制复合增材技术

某舰用燃气轮机过渡段属于低压压气机部件,最大外径Φ265mm,总高188mm,有6处进油孔,涵盖端面孔、径向孔、斜孔,其中斜面加工最小孔径Φ0.8mm,4处精密外圆、内孔技术精度要求高,其中最小精度±0.0145mm,且需在磷化后保证,制造工艺过程复杂,涵盖铸造、热处理、无损检测、机加、液压试验、油压试验、表面处理、装配、试车等多个专业,并且各专业纵横交错,互相制约。过渡段传统制造工艺为铸造成形,由于零件局部薄厚相差较大,钢液凝固过程中补缩不充分,易产生裂纹、夹杂、疏松等缺陷,产品质量稳定性差,合格率低,且生产准备周期长,难以满足研制生产需求。传统的增材制造工艺,如激光、电子束3D打印方法,成形效率低,制造成本高;电弧熔积-微型轧制复合增材工艺成形效率高,组织性能好,材料利用率高,制造成本低,属于一种优质、高效、低成本增材制造方法。 英国Cranfield大学牵头的“电弧熔积+轧制增材成形”研究已得到了包括波音、空客、洛-马、罗-罗、NASA等资助,将沉积和轧制集成到了3轴数控设备上,实现了2.5D零件的复合制造,尚未实现装机应用。由于45钢焊接过程存在复杂相变,常规焊接方法可焊性差,国际上尚无先例,因此如何消除复合增材冶金微孔、细化晶粒,减轻或消除熔池附近的拉应力,避免变形与开裂。此外,开展研究可参考的技术资料和科技文献数量有限,既无现成方法,也无先例可循,只能自主建立复合增材工艺方法及成套技术文件资料。 针对过渡段铸造质量稳定性差,加工难度大,交付时间滞后的问题,课题组开展电弧熔积-微型轧制复合增材制造技术研究的任务,在复合增材机理上制定了过渡段基础研究方案和成形工艺方案,通过复合增材成形应力变形和显微组织模拟与试验验证、多方向切片、成形轨迹优化、焊丝材料质量控制及优化、工艺参数优化等技术研究,突破了过渡段复合增材组织与性能调控、成形轨迹优化、质量控制等关键技术,完成了环形过渡段零件的免支撑增减材直接成形制造与验证,并建立了成套技术文件。此外,组织开展了全尺寸环形过渡段的力学性能、冶金质量、机械加工、表面处理、装配、试车考核等全流程加工验证,验证结果表明：过渡段化学成份、力学性能和冶金质量满足и255.105.059军用技术标准要求,机械加工性能良好,加工过程稳定、无异常,几何尺寸及加工精度满足设计要求,试车过程稳定,效果良好,满足某型燃气发生器设计、使用要求。 通过电弧熔积-微型轧制复合增材应力分布与微观组织模拟和试验验证,揭示了中碳钢在复合增材成形过程中的应力变形和组织演变规律,即：①轧制变形区主要表现为压应力,能够明显地抑制成形过程中裂纹的产生和扩展;②复合增材使位错密度增加,诱导生成动态再结晶超细组织,改变了柱状晶组织特征。掌握了电弧熔积-微型轧制复合增材成形组织与性能调控技术,实现了中碳钢难成形材料的高质量成形。 通过非轴对称环形过渡段零件电弧熔积-微型轧制复合成形轨迹设计和优化技术研究,完成了复合增材成形骨架树的完整提取和悬臂结构的精准识别,解决了复合增材成形轨迹优化的技术难题,实现了非轴对称环形过渡段零件的免支撑增减材组合工艺直接成形,并形成了一整套集材料制备－数值模拟－轨迹规划－质量控制－成形加工－试验验证为一体的工艺方法及流程。 该项成果可推广应用至航空发动机双性能涡轮盘、异种材料机匣、带凸台结构机匣等零部件的制造中,对我国新一代发动机零部件的高质量、高效加工有重要的指导作用和借鉴意义,亦可推广至航天、船舶等行业中复杂、大型结构件或复杂模具的低成本、快速再制造中,具有显著的军事、经济和社会效益。