基于快速增材制造关键金属

航空航天、模具、工业、船舶等现代工业高端装备正以大型化、高参数、极端恶劣条件下寿命与可重复性增长的目标快速发展，致使其钛合金、模具钢等关键金属部件尺寸愈来愈大、结构日益复杂、性能要求日趋提高，对制造技术也提出了更高的要求。采用传统减材制造技术生产上述大型、异形、整体、高性能金属部件，不仅需要万吨级以上的重型锻造设备及大型锻造模具，并且材料损耗大、利用率低、成本高。国际趋势表明，钛合金、模具钢等难加工金属大型关键部件制造技术已经成为衡量一个国家重大高端装备制造业水平高低的基准。3D打印技术（AM）能够直接成形机械性能优良、结构复杂的金属构件，具有传统加工方法没有办法比拟的优点，因此该技术有望为航空航天、国防工业重大装备中大型难加工金属构件的制造提供一条快速、柔性、低成本的技术新途径[3]。但由于未能有效解决制造过程中“热/内应力”、“内部缺陷”等控制问题，致使3D打印还难以应用于航空航天关键及主承力构件、大型复杂模具等高端领域。本文就3D打印技术发展面临的问题与挑战，简要分析了3D打印后续工艺控性技术、标准制订发展现状，指出高性能关键金属部件增材制造的发展和工程应用，将不单取决于高性能粉体材料制备及3D打印过程中内部冶金缺陷的机理研究，更大程度上取决于影响3D打印关键金属部件组织性能的后续工艺技术及设备的探究深度。1. 3D打印面临的问题3D打印具有“高性能粉体制备”、“复杂结构直接制造”、“表面控形”、“后续工艺控性”一体化的独特特征。以现阶段最为火热的激光选区熔化3D打印技术为例[4]，该技术的材料非平衡物理冶金和热物理过程十分复杂，同时发生着激光束与粉体、熔池与粉床的交互作用、熔区超高温梯度和强约束力下的快速凝固、构件内部组织演变、循环条件下热应力演化等现象。因此，3D打印面临的最大问题在于打印过程中，构件铺粉层与铺粉层之间、单一铺粉层内部等局部区域产生的各种特殊的内部缺陷，如粉末团聚、粉末挥发飞溅、热/内应力、层间局部未融合、气隙、卷入性和析出性气孔、微细陶瓷夹杂物、内部特殊裂纹、晶粒异常形核与长大等，以至于影响最终成形部件的内部质量、力学性能和部件的服役使用安全[5]。事实上，内部冶金缺陷控制一直是3D打印亟待攻克的关键技术之一。 国内金属基3D打印专家普遍将3D打印过程中出现内部冶金缺陷的矛头指向粉体材料基础问题以及3D打印内部特有冶金缺陷的基本特征、形成机理及控制方法研究不够深入。笔者通过与世界著名3D打印材料专家，澳大利亚技术科学与工程院院士、蒙纳什大学3D打印中心主任吴鑫华教授、美国路易斯安娜州立大学郭晟旻教授的合作交流中，并结合自身多年在金属基粉体制备方面的经验，深刻体会到，要从根本上解决长期制约关键金属部件3D打印技术发展和应用的内部缺陷问题，单单靠材料基础问题与3D打印过程中的内部缺陷机理研究是不够的。中国制造业从来都是“重冷轻热”，而材料能否从根本上得到改性，很大程度上取决于后续工艺工艺与设备。笔者认为，3D打印的部件必需经过后续热等静压、开模锻造等致密化处理以及“四把火”（淬火、退火、回火、正火）等热处理工艺，并制订配套工艺标准，才能从根本上减少或消除3D打印关键金属部件存在的“内部质量”（冶金缺陷、晶粒及显微组织等）问题。2. 3D打印后续工艺控性技术发展现状真空热处理技术具有无氧化、无污染、表面质量高、变形微小等突出特点，是当前国际热处理技术发展的热点。传统金属部件的改性热处理技术，只要摸索并制订适用于3D打印领域的工艺及标准，理论上可极大地改善3D打印内部缺陷的问题[6-7]。笔者认为，所谓3D打印后续工艺控性技术，除了在金属热处理领域已有千年历史的“四火”外，还应包括热等静压、开模锻造等致密化处理、表面热处理（感应热处理）以及化学热处理（渗碳/渗氮）等。2.1 热等静压致密化处理热等静压（HIP）是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术。被加工件在高温高压的共同作用下，各向均衡受压，故加工产品的致比重高、均匀性好、性能优异。吴鑫华院士新近开发的近净成形热等静压工艺，与国内市场大部分热等静压工艺截然不同。经该技术处理的3D打印部件各方面性能有了实质提高，特别是在微观组织与机械性能方面保持高度的一致性与重复性。吴鑫华院士指出“3D打印过程中不可避免存在孔洞与缺陷，需要借助外力作用来消除，而HIP毫无疑问是最好选择之一。热等静压工艺使材料发生蠕变及塑性变形，从而以较小的变形改善部件内部的空隙及缺陷”。 2.2 真空淬火/回火处理按采用的冷却介质不同，真空淬火处理可分为油淬、气淬、水淬等。真空淬火后的工件表面光亮不增碳不脱碳，使服役中承受摩擦和接触应力的产品，如工模具H43钢的使用寿命可提高几倍甚至更高。与表面状态好具有同等重要意义的是淬火后工件尺寸和形状变形小，一般可省去修复变形的机械加工，从而提高经济效益并弥补3D打印成本高的不足。真空回火目的是将已通过淬火后的3D打印金属部件优势（产品不氧化、不脱碳、表面光亮、无腐蚀污染等）保持下来，并消除淬火应力，稳定组织。实践证明，如3D打印TC4部件，经真空回火处理后其强度与常规效果所差无几，但塑性却明显提高了。2.3 真空退火/正火处理真空退火除了要达到改变3D打印金属部件晶体结构、细化组织、消除应力等改性目的以外，还要发挥真空加热可防止氧化脱碳、除气脱脂、使氧化物蒸发的效果，从而进一步提高表面光亮度和力学性能。正火既可以作为3D打印金属部件的最终热处理，也可以作为预备处理。正火代替退火可提高部件的力学性能；一些受力不大的工件，正火可代替调制处理作为最终热处理，简化热处理工艺；也可作为用感应加热方法进行表面淬火前的预备热处理。2.4 真空渗碳/渗氮处理渗碳/渗氮是目前应用最广泛的一种化学热处理方法。它是渗碳、渗氮介质在工件表面产生的活性原子，经过表面吸收和扩散将碳、氮渗入工件表层，以便将工件淬火和低温回火后，显著提高其表层的硬度、强度，特别是疲劳强度和耐磨性，而芯部仍保持一定的强度和良好的韧性。3. 国内外3D打印技术标准分析随着3D打印技术的日臻成熟，与之相关的标准化工作也日趋活跃[8]。自2002年，美国汽车工程师协会发布了首个3D打印技术标准《退火Ti-6Al-4V钛合金激光沉积产品》以来，已经陆陆续续颁布了19项标准。这些标准涵盖了产品的退火和热等静压工艺制度、3D打印过程中制件的消除应力退火制度及要求以及退火或热等静压后的时效制度，反映了国外已经在控制内部缺陷、消除残余应力，减少变形方向等方面开展了大量的研究工作。反观国内，我国3D打印技术标准的发展落后于国外，没能充分反映国内技术发展的水平。由于缺少对3D打印工艺过程的表征、控制和认证的标准，技术的大范围推广使用受到制约，已有的技术优势并没有能够迅速转化为产品优势和市场优势，因此迫切需要开展3D打印技术的标准化工作，特别是关乎组织性能调控的热处理制度及设备标准化建设工作。4. 3D打印后续工艺技术及设备探究真空热处理技术是随着真空热处理设备的发展而发展的。美国首台真空热处理设备的成功研制，才开启真空退火/淬火工艺的应用。“一代装备，一代技术，一代材料”，装备作支撑，工艺技术才能实现，材料制备才有保障。国内企业往往注重材料配方与具体工艺的实施，而忽略装备在材料制备过程中的重要性，这点在3D打印后续工艺领域显得尤为突出。事实上，欲减少或消除3D打印关键金属部件存在的“内部质量”问题，其根本在于后续工艺技术及设备的探究深度。4.1 卧式双室真空气冷油淬装备该设备主要用于3D打印模具钢（H43等）、高强钢、高速钢、合金钢等关键金属部件的真空热处理，可以完成的工艺内容包括：真空油淬、真空气淬、真空退火与真空回火等工。 卧式双室真空气冷油淬装备是顶立科技研发的新一代改进型高端设备，符合“工业4.0”、“中国制造2025”发展特征趋势及基本要素，是全球最先进的热处理装备之一。其主要特征如表1所示：4.2 立式真空双室淬火装备立式真空双室淬火炉是顶立科技新一代高端热工装备，也是《中国热处理与表层改性技术路线图》指定的重点攻关设备，具有广泛的应用前景。立式水淬炉不仅适用于钛合金水固溶处理，还可以扩展至、铝合金、镍基及钴基高弹性合金3J21、核能领域17-4PH、410不锈钢、钨基高比重合金等真空水固溶处理。 该设备具有以下显著技术特点：工件从立式真空水淬炉中完成固溶处理，仅需垂直降落，无∏型运行轨迹，工件运转时间相对缩短，可达到＜6s，且无水蒸气污染真空泵组，相比卧式真空水淬炉显示了极大的优越性。除此之外，采用立式结构，十分适用于淬透性不强，长杆状结构的α+β钛合金零部件的固溶热处理，畸变量十分微小。中国某公司使用VVWQ3030立式真空水淬炉设备专门处理3D打印TC4钛合金制品，工艺内容：固溶+时效，取得了良好的效果：外观：工件处理完毕后，表面光亮，无氧化色；淬透性：Φ20mm截面内全部淬透；畸变量：较小，全跳动量增加0.02mm。机械性能大幅提高，具体如表2所示。4.3 卧式双室真空高压气淬装备该设备适用于各类航空、航天领域中3D打印专用高压气淬处理，包括铝基、铜基、银基、镍基、金基、不锈钢、复合材料、高温合金的高压气淬处理，目前是ACME供给航空引擎叶片制造厂的主打设备。 该设备具有的技术特点如表3所示：4.4 卧式双室真空渗碳装备该装备主要用于20CrMnTi、12Cr2Ni4A、12Cr2Ni3A等结构钢、高合金渗碳钢的渗碳及渗碳后的淬火，1Cr13等不锈钢的渗碳及渗碳后的淬火，工模具钢的淬火，以及齿轮类部件、轴套类部件、精密轴承、油泵油嘴机械件、精密机器部件等的淬火、退火等。其技术特征为：（1）卧式双室结构，1个渗碳室和1个淬火室，淬火介质依据实际可选择；（2）鼠笼式石墨加热炉胆上均匀布置着渗碳介质注入喷头，确保气氛均匀；（3）实现1050℃下高温渗碳，极大的缩短了渗碳周期；（4）淬火转移料车传递平稳，执行“慢-快-慢”运行节拍，转移时间短；（5）采用脉冲气氛控制，对盲孔渗碳更具有优势。 4.5 真空热压装备该装备主要用于各类金属材料、复合材料、高导热材料、SiC陶瓷、耐磨类材料等真空/气氛下的高温热压状态下的致密化工艺。其主要特征如下：（1）单室、内热、冷壁、卧式结构，整体布置紧凑合理；（2）配装的液压专用压力机确保系统控制加载压力准确；（3）加压方式可选择单向加压和双向对压；（4）热场可悬着石墨隔热屏、全金属隔热屏；（5）加载压力可悬着30T、35T、100T、200T、400T、500T、800T、1000T；（6）真空热压炉温度可选择1500℃、1800℃、2000℃、2300℃、2500℃；（7）压头材料可选择等静压石墨、TZM合金。 除此之外，还有各类特种真空热处理装备，可广泛应用于金属基3D打印构件的后续工艺，包括卧式高真空退火装备、立式底装料高真空退火装备、高真空回火装备等。5. 结束语（1）高性能关键金属部件增材制造的发展和工程应用，将不单取决于高性能粉体材料制备及3D打印过程中内部冶金缺陷的机理研究，更大程度上取决于影响3D打印关键金属部件组织性能的后续工艺技术及设备的探究深度；（2）加快我国3D打印技术国家标准制订，特别是3D打印后续工艺技术及工艺相关国家技术标准十分必要；（3）顶立科技现有真空热处理高端产品基本代表了中国最先进的水平，时代赋予了顶立科技责任与使命，将加大开发符合“工业4.0”、“中国制造2025”趋势的高端热处理装备力度，满足快速3D打印关键金属部件对组织性能调控的后续工艺需求。