《航空航天关键复杂精密构件的激光选区熔化整体成形技术与系列装备》

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项目属于激光加工、装备研制和智能制造交叉学科。

航空发动机钛合金宽弦空心风扇叶片、重型运载火箭发动机高温合金涡轮泵叶轮等航空航天关键复杂精密构件,因曲面外形、复杂内腔、薄壁结构,使得传统的等材/减材加工存在周期长、成品率低、费用高等缺点,甚至难以制造;随着新型航空航天装备对轻质、高速、重载要求不断提高,亟需新的技术突破,以实现复杂精密构件的结构功能一体化成形和柔性化生产。作为一种变革性3D打印(增材制造)技术,激光选区熔化整体成形(简称SLM)可适应复杂结构,且加工精度高、响应时间短,成为首选。

项目开展前,仅有单束激光的SLM技术,且被德国EOS、Concept Laser两家公司所掌握,只对外高价输出装备(约百万美元/台),最大成形尺寸250×250×300mm3,仅适合制造中小尺寸复杂精密构件,自主研发势在必行。项目历经10余年研究,在理论突破、技术创新、装备研制等方面取得如下成果:

1、发明了多束激光同步扫描大幅面成形方法,揭示了相邻扫描区域界面熔合机理,为大尺寸复杂精密构件的高精度、高效率成形奠定基础,在幅面可任意扩展条件下,水平方向精度≤±50μm,效率≥200cm3/h,解决了传统单束激光SLM技术成形幅面小、效率低(约20 cm3/h)的难题。获批发明专利8项、实用新型5项;发表SCI论文15篇,EI论文2篇。

2、发明了变载荷、微位移条件下的高精度运动控制方法,阐明了成形过程的热隔离和热变形防护机理,掌握大面积多通道层流规律,突破激光长时间强热辐射下光学系统易畸变、成形精度难控制的瓶颈,保证装备工业生产稳定运行。获批发明专利10项、实用新型4项;发表SCI论文9篇,EI论文1篇。

3、发明了多模块、多参量协同实时控制方法,提出互斥型多级分区激光扫描、自适应动态校正及自主路径规划算法,解决了多通道、多机构协同控制难题,确保大幅面智能分区、多激光扫场无缝拼接,实现装备的智能制造。获批发明专利8项、实用新型4项、软件著作权2项;发表SCI论文11篇,EI论文2篇。

4、发明了多束激光逐层扫描主动调控应力方法,掌握动态温度场条件下的热输入平衡和应力离散分布规律,研发出点阵式立体分区主动加热和实时控制系统,解决了大尺寸复杂精密构件的变形控制难题,实现高质量成形。获批发明专利8项、实用新型2项;发表SCI论文13篇,EI论文2篇。

上述创新,促使国外传统的单束激光SLM(激光选区熔化整体成形)装备降价约1/2,并发展出具有自主知识产权的多束激光SLM技术及系列装备。2014年首次研发出国际上成形尺寸最大的装备,达到500×500×530mm3。2016年以王华明院士为首的专家鉴定:“项目在国际上率先研制出具有自主知识产权、成形体积为500 mm×500 mm×530mm(装备)...其成形效率和成形尺寸迄今为止世界最大...实现了大型复杂零件的高效高质激光选区熔化成形...整体技术达到国际先进水平,其中装备的成形尺寸和效率达到国际领先水平”,并作为中国航天领域引进的首台(套)激光选区熔化成形装备(SLM),应用于关键复杂精密构件批产。

项目装备最大成形尺寸已提升至500×500×1000mm3,广泛应用于航空航天、高铁等重点行业30余家单位,所研制的200余种产品在“弹、箭、星、船、器”的40多种型号上定型批产,且装备即将出口欧洲。部分知识产权以1000万元公开转让,实现自主研发高端装备的产业化,近三年直接经济效益7700余万元,实现了中国SLM技术从“跟跑”到“领跑”。

项目共获批发明专利34项、实用新型15项、外观设计3项,软件著作权2项;发表SCI论文48篇、EI论文7篇。获得新加坡科技局/新加坡制造研究院、中国航空制造研究院、北航、南航、中科大等单位同行的正面评价;人民网、央广网、经济日报、科技日报等中央媒体和航天科技集团官网对项目成果进行了专题报道。

项目成果因其先进性,后续获得国防973课题、国家重点研发计划、国防科工局技术基础科研等多个项目支持,正在开展新一代关键复杂精密构件SLM装备研制。依托项目平台,联合航天科技六院7103厂和一院211厂,成立“航天特种构件增材制造技术国防科技工业创新中心”;联合首都航天机械公司,建立航天领域全国首个“增材制造技术联合实验室”。已培养博士后7名,博士和硕士50余名。

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