場(chǎng)景類(lèi)型

多材料結(jié)構(gòu)一體化制造

場(chǎng)景項(xiàng)目名稱(chēng)

航天發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件多材料一體化制造

場(chǎng)景項(xiàng)目單位

制造商

南京中科煜宸激光技術(shù)有限公司

應(yīng)用單位

上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)

一、背景概述

（一）需求痛點(diǎn)

為了適應(yīng)新一代航空、航天結(jié)構(gòu)“輕量化、梯度化、結(jié)構(gòu)功能一體化”的發(fā)展趨勢(shì)，克服極端工作溫度、大跨度載荷等多約束條件對(duì)金屬材料性能的影響，功能梯度材料應(yīng)運(yùn)而生。傳統(tǒng)粉末冶金、焊接等功能梯度材料的制造方式具有一定的局限性，制約了新型材料結(jié)構(gòu)在航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用，急需合適的新工藝，金屬增材制造是一種非常具有潛力的新型加工技術(shù)。

（二）解決方案

激光定向能量沉積技術(shù)（Laser direct energy depositionLDED），又稱(chēng)為激光直接制造（Laser direct manufacturing，LDM），其原理是基于離散-堆積的思想，采用激光作為熱源，熔化同步送入熔池的金屬粉末，層層堆積，直接制造出實(shí)體結(jié)構(gòu)。

在LDM 技術(shù)中，激光作為熱源將粉末與基體表面加熱至熔化，熔池快速凝固后形成沉積層，在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)改變多種合金粉末的配比，就可在零件的任意位置獲得所設(shè)計(jì)的材料成分、組織結(jié)構(gòu)和性能，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高性能梯度功能材料、多材料一體化制備和最終成形，成為集材料設(shè)計(jì)、加工制備于一體的智能化、柔性化制造系統(tǒng)。

二、案例介紹——TC4基材表面梯度功能涂層制備

（一）案例描述
鈦合金具有良好的力學(xué)性能和耐腐蝕性能，由其制造的金屬結(jié)構(gòu)部件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天等領(lǐng)域，但鈦合金的耐高溫性能不足，通過(guò)材料梯度化提高鈦合金的耐高溫性能具有重要意義。通過(guò)激光熔覆，在TC4基材表面制備出了連續(xù)過(guò)渡的梯度功能涂層：

（1）采用RC-LDM8060型激光增材制造設(shè)備制造Ti6Al4V/Inconel718功能梯度材料

該系統(tǒng)由YLS-3000光纖激光器、同軸送粉激光頭、雙桶送粉器以及3軸數(shù)控機(jī)床等組成。在氬氣保護(hù)的密封箱體內(nèi)進(jìn)行，在TC4基材表面制備出的功能梯度涂層組織致密，成分性能連續(xù)過(guò)渡，如下圖所示。

△梯度涂層宏觀(guān)金相圖和各區(qū)域顯微組織（a→e 由 TC4 基材至頂部 IN718 涂層）

△成分變化以及顯微硬度變化（由基材至梯度涂層頂部）

（2）采用RC-LDM8060型激光增材制造裝備制造Ti6Al4V/Inconel625功能梯度涂層
該系統(tǒng)由 YLS-3000 光纖激光器、同軸送粉激光頭、雙桶送粉器以及3軸數(shù)控機(jī)床等組成。在氬氣保護(hù)的密封箱內(nèi)進(jìn)行，在TC4基材表面制備出的功能梯度涂層組織致密成分性能連續(xù)過(guò)渡，如下圖所示。

△梯度涂層宏觀(guān)金相圖和各區(qū)域顯微組織（a→d 由 TC4 基材至頂部 IN625 涂層）

△成分變化以及顯微硬度變化（a、b、c 依次為底→頂三個(gè)結(jié)合區(qū)域的元素變化）

（二）技術(shù)水平及先進(jìn)性

該類(lèi)增材制造裝備在功能梯度材料的制備上首次集成了多通道送粉裝置，可同時(shí)支持最多六種金屬粉末的輸送，并開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用的混粉功能模塊，實(shí)現(xiàn)多路金屬粉末的原位均勻混合。針對(duì)多路送粉功能開(kāi)發(fā)了送粉控制軟件，研究人員可通過(guò)預(yù)先的材料成分設(shè)計(jì)，實(shí)時(shí)更改增材制造過(guò)程中材料的配比，實(shí)現(xiàn)均勻過(guò)渡。

三、應(yīng)用推廣成效

中科煜宸已為多家科研院所及高校定制生產(chǎn)了多臺(tái)多材料高通量打印專(zhuān)用設(shè)備，滿(mǎn)足了對(duì)梯度材料、高熵合金等的開(kāi)發(fā)需求，其成果已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車(chē)、船舶、模具等行業(yè)，有力推動(dòng)了技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，也為工業(yè)制造領(lǐng)域的終端用戶(hù)提供了上百套智能金屬激光增材制造裝備。中科煜宸已成為國(guó)內(nèi)工業(yè)化金屬激光增材制造裝備的主要供應(yīng)商之一，并與客戶(hù)合作完成多型增材制造產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

△TiC 顆粒增強(qiáng)鈦基梯度材料

△鈦鋁梯度材料

四、下一步提升及推廣

下一步，中科煜宸將利用同軸送粉技術(shù)多材料復(fù)合制造的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)鈦合金-鈦鋁合金、高溫合金-不銹鋼、高溫合金-銅合金等的功能梯度材料/結(jié)構(gòu)制備研究，進(jìn)行異種材料的立體成型，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管等的一體化制造研發(fā)。