航天一院211厂王福德：电弧增材制造技术

航天一院211厂王福德为我们带来主题演讲。

    王福德：谢谢大家，很高兴有这个机会能够和大家交流211厂增材制造的电弧增材制造技术。
    刚才杨总介绍了很多增材制造技术，其中介绍了电弧增材制造技术，电弧增材制造技术是一种低成本高效的增材制造技术，它做不了太复杂的结构，因为我从59年在英国一直做这个技术，现在回到了航天一院，也一直做这个技术。
    我今天讲的内容主要是五个部分，首先介绍一下211厂3D打印中心。
    （PPT图示）我们中心有以下几项技术，一个是激光选区熔化技术，SLM，还有LMD，我们现在也在做电子束溶丝增材制造以及电子束选区熔化增材制造技术，红色的是我们现在已经开展的比较成熟的技术。
    （PPT图示）这是我们中心的厂房，现在有两台激光选区熔化成形系列设备，有激光熔化沉积成形装备，还有一台电弧的，熔化级和非熔化级的。
    中心现在人员有20余人，博士占比30%，硕士占比57%，35岁以下人员占比50%。
    中心技术的能力，针对选区熔化技术做了TC4、GH4169、316L等等，这些性能都可以跟锻电相比，一些东西都在型号上大量采用。包括最早采用的发动机保护罩、掉吊点框良片等等。包括做了二级发动机叶轮全尺寸样件研制，以及发动机接头，整体气流、气压，现在我们正在做氢氧一体喷嘴，现在新型号的发动机研制在做一体化。包括安溢活门以及宇航员的头盔、风管。
    同时我们也开展了选区熔化应力分析方面的研究，送粉技术我们也在开展，也是针对几种材料开展了研究，它的性能都可以达到关键件的水平。展会上都有零件。
    电弧增材制造是我到了厂之后开展的一项技术，现在做了像ZL114A、4169等等性能，4169如果大家关心的话，它做激光送粉大件的时候特别容易开裂，但是现在用电弧做完全可以克服，抑制裂纹的产生，优劣性能都达到了航空航天国家标准。
    （PPT图示）这是我们做的一些演示件，这是管路支架，是圆柱的球面，是交叉的，以及舱段里面的件，以及异形骨架，以及高温铝合金件，打印高温铝合金这个件8—12小时就可以做完。现在丝用1.0的丝，送粉速度可以达到12，高温合金可以做到5公斤一小时左右。
    现在中心发展路线，到了2020年实现产业发展民品输出，现在完全是忙于军品的生产和研制，我们未来也有装备集成的设想，针对航天用的一些超大型构件开展专机的研制，不走普世大众的设备，那种设备我们会从市场上选购，但是针对超复杂、超保密的部件我们会开发专机，满足我们生产和科研的需求。
    中心发展，现在正在做一台大的LMD设备和两台小的选区设备。（南极熊3D打印网编辑发布。）
    我今天主要是给大家电弧增材制造技术，实际上很简单，就是用一台机器人带着一个焊机，首先把三维数模切片，形成路径规划。这个典型的例子是我当时在英国做的，这个零件原来非常简单，就是一个锥形保密件采用模板焊起来，包括两个法兰盘。每次更改设计都要重新来制造工装，设计出了图之后六个月才能看到文件，测试一下不行再修改设计、修改工装，又六个月，这样产品研发周期非常长。当时在一次会议上认识他们的人，当时他们就到了我工作的学校看了一下，就给了这个项目，12个小时我们就都打出来，当时他们非常惊讶。后来陆陆续续又给我们很多项目，我们帮他们在工厂集成了一套电弧技术。
    实际上电弧增材制造是一项非常古老的技术，那个时候没有数字化，现在数字化之后，你说它是新技术就是新技术，如果说增材制造古老也很古老，1925年美国就有人在家里焊接。当时人的大脑就是计算机，手就是机器人，分层切片全在脑子里控制，就把它做出来了。当然现在最好的还是大脑，机器人柔性再大也不如我们手的准确度。这个技术在80年代的时候欧洲得到了高速的发展，因为当时60年代随着核电和石油化工以及煤化工的发展，需要大的压力容器，当时冶炼技术没有那么复杂，你想做一个大的锻件炼不出来。当时日本重点开发大型冶炼，德国欧洲那边开展电弧溶丝技术发展。
    （PPT图示）这就是用二三十台埋雾焊机堆出来的，300小时每公斤，而且通过了德国河间安全委员会标准的认定，但可惜到了1986年核电站发生了泄露技术，德国放弃了核电技术，到目前德国没有一台核电，这个事情很可惜。后来到了97年，随着工业机器人，焊接技术成本大大降低，又在合作生产发动机机匣，到了2008年这个专利过期了，09年刚好我有幸跑到这个学校去工作，不再做飞机发动机上的东西了，因为我们跟罗罗做了很多项目，罗罗合同比较苛刻，经费不追加，研究内容不停追求，搞的这个合同完成的非常困难，为了这个事我们也经常跟罗罗发生争后来吵。后来我们做飞机上钛合金的零件，为什么做这个零件呢？因为随着欧洲碳排放开始收费，以及钛合金有一段时间涨价非常厉害，现在钛合金件飞机上都是通过锻或者扣出来，材料利用率非常低，飞机上材料利用率一般都在1%，很少超过5%，最高10%，收这个零件的碳税是按100公斤收的，而不是按这1公斤收的，你把这个钛合金冶炼100公斤实际上排放了很多二氧化碳。这样就想先用电弧增材制造技术先做一个毛坯，可以大大提升利用率，减少碳排放。实际上电弧成形效率非常高，但是当时我们的思想不追求它的效率，因为实际上追求零件的效率是两个成本的综合，如果机加量大沉积率就低，如果机加小沉积率就慢，要找一个平衡点。我们当时选的是剂量少的机加。当时我们没有考虑到无形检测的问题，回国之后才知道它需要5毫米的量，后来又增加了。，55：14，
    （PPT图示）这是克兰菲尔德今年做的一个大的火箭燃料箱，钛合金的，表面质量成形非常好，这是我原来科技组的一线人员，还在做这个事。
    15年英国谢菲尔德大学投资1百万英镑建成了世界首台10X5米的电弧增材制造设备，大大降低了锻造成本和制造效率。像航空发动机上的一些筒子，直接断出来，上面的法兰盘等等都可以用电弧增材制造技术做出来，可以大大简化建造工艺，降低零件的制造成本。
    最近美国一家企业在纽约安装了32台Merke IV设备，因为获得了美国航空管理局认证，也就是说钛合金电弧增材制造技术在国外是得到认可的，包括青岛卓思三维智造也在开发专用的装备。
    （PPT图示）这是南方增材电溶增材制造做的零件，每小时达到420公斤，效率非常高，所以我也非常惊讶。
    电弧增材制造技术特点，总结一下是设备投资少，运行成本低。沉积效率很高，可以达到每小时几公斤，这是指轻金属的，不是指刚的或者高强刚的，那更高，包括铝合金和钛合金。它没有粉末引起的安全和健康问题。再一个是材料利用率高，丝材完全熔化，全部变成里面的一部分。粉末现在一部分熔化，一部分没有熔化，不管是送粉还是铺粉粉末都存在回收，就会存在粉末性能下降的问题，这都要考虑，零件长时间用混粉不是说不可以，但是要对它进行深刻研究，给出这个粉末能混到什么程度，混多少不会降低性能。当然国内国外都在做这个工作，我们不是说这个不好，肯定要有措施来保证它的质量。另外是所制造的零件密度高，几乎达到100%，粉末技术谁也不敢保证零件制作过程中100%颗粒都熔化了，不然不会出现那么多后处理，尤其考虑疲劳性情况下，大家都还是心有余悸的。而这个要么被融合，要么全熔化，如果没有熔化的话也很好的检测质量。还可以实现合金成分的剪裁。零件的复杂程度低，它不可以做非常复杂的零件，不像选区成形可以做成很复杂的流道，这不可以，也不是说不可以，非常困难。
    下面我以钛合金增材制造为例把这个技术向大家进一步解释一下。（PPT图示）大家知道，增材制造钛合金组织是这样的，发达的柱状金，像这种组织能不能满足航空航天的需求？这是这些技术能不能被应用的关键。腐蚀抛光之后，沿着机体不停往上生长，制造过程中如何能够满足航空航天的设计要求？电弧可控制参数只有那么几个，一个是你要用连续的或者用脉冲的，通过电弧本身的参数，要么用连续的，增材制造过程中电流不变的。我还可以在里面用脉冲的，脉冲因为有电弧搅拌力，当时在英国我们尝试过超音频高频脉冲，加上之后电弧就被压缩了，热输量就比较集中。通过这种方式我试了一下，像我采用脉冲可以提高峰值比，达到7.7的时候电弧吹力非常大，把金属吹的到处跑，不能成形。但是到6.7的时候可以成形。另外到5.3、20、20，包括加上高频冲击，仍然没有实现。
    后来改变送磁速度，当然要提高速度等一系列的变化，我们发送磁速度比较有作用，因为到了一定程度在熔池前端输送了大量金属，就可以在里面长大。当然送到3米的时候，因为电流只有105氨，基本上到了极限状态了，不可以再熔化了。工艺创造非常窄的话，工人做这个的时候不希望参数控制的非常窄，因为稍微变化一点无法成形这个零件了，也不是很好的工艺，后来我把这个放弃了。
    后来我们也做了能不能满足它的要求的测试，这是杂质状态的，这是双向组织，最后取了横向、纵向和拉伸疲劳的样品，对它进行了测试。我们当时比的是一个细棒，我们做这个性能跟它比是低的，棒材蓝颜色是断裂性的，红颜色是屈服性能，不管横向还是纵向都比它低，因为它的组织是不一样的，棒材组织都是双向组织，它们的组织不一样。对它进行疲劳性能测试，加到600兆帕看谁的寿命长。棒材基本上不超过100万次全断了，增材除了这三个在100万断了之后基本上都是在700万次，很多到了1000万次都没有断。
    （PPT图示）当然它有气孔，这是它的开裂源，这是它的气孔，气孔边上裂纹发生了扩展，这是什么原因造成的呢？我们做大试板的时候，因为有的时候做的过程中丝会断，没有送好丝会粘连，我们把它掐断再重新送丝的时候，实验室操作人员没有带橡胶手套，后来我们对它进行控制之后，包括所有数据是三个板的样，我们只有在一个板子里面发现这个问题，其他都没有出现这个问题。也就是说我们对它进行管控的话，可以管控这个质量，包括疲劳寿命，它要求做到500万次，当时在800兆帕下面的500万次，都没有发生断裂。
    对它的性能也进行了测试，它是高于锻件的，钛合金优势就是它的断裂性高，因为钛合金是不同的组织，可以得到不同的性能。恰恰增材制造可以得到好的动态性能，静态性能有各项异性，所以静态运行不如它的锻件。
    后来我们做一层轧一层，在里面产生了变形，里面产生了大量的为错，在后续增材制造会恢复再结晶，我们就把它的组织从柱状晶变成了等轴晶。这样再进行测试说明这个效果是有益的，增材性能得到了优化，都可以达到小的锻件的要求。
    后来空壳给了不少钱，把这个原理工程化，现在在英国已经工程化了。现在科技部也支持了一个项目，就是在铸锻件上长精细结构，我们在英国也做了一件事，在铸锻件上长了，把切缝开在不同的地方，在增材制造下面开缺口，采用铸锻混合制造看它的性能如何，最后都是符合要求的。
    （PPT图示）后来我们做了飞机起落架，起落架可以放下来，这是给唐马迪（音译）做的，上下基本上是对称的，有一个很大的缺口，一层一层把它做出来。表面的粗糙度比大功率激光送粉的补差，这个得到了欧洲航天局高度认可，被称为具有突破性的3D打印技术。后来我们给BAE做了飞机翼梁，当时被BAE称为欧洲最大的一个钛合金的翼梁。后来又陆续做了很多钛合金零件，包括怎么做接头，这是非常关键的技术。为了看电弧能不能做到非常平整，我们跟法国一个导弹公司做的推进器上面的钛合金体，可以达到镜面水平，非常好。当时做出来法国人也很惊讶。
    后来我们也研究熔化级的增材制造钛合金技术，因为电弧过度钛合金非常不稳，我们采用了一些技术，可以降低它的飞溅，因为丝材对它的扰动，它得到的组织和非熔化级不一样，它的组织比较细小。我们对它也做了性能的测试，强度比非熔化级高。
    （PPT图示）这是电弧增材制造其他材料，高强钢，这是给BAE做的高强钢炮弹，当然这个技术做炮弹在战争打起来的话是来不及供应的。当时做了14发，在箭上打了8发，后来每家留了一发。
    （PPT图示）这是做的火箭发动机上的一些高温合金，这里面做的现在是比较成功的，控制了变形、开裂等等。
    （PPT图示）这是最近美国NASA做的，这个技术在三系列不锈钢上，这个技术我们现在正在做。
    （PPT图示）这是一种材料，在钢上面长黄铜，这个技术到现在也没有找到用处。
    增材制造在航空航天领域需要解决的问题，我总结了一下，包括多种复杂物理现象相互交织影响，传热、传质、熔池流体力学，熔化、凝固、固态相变等等。还包括过过程变量，零件尺寸、形状，还有应力状态、缺陷，以及宏观组织、微光组织、宏观结构、微观结构、化学成分、结构和化学梯度。冶金过程里面前车的东西太复杂了，化学的、物理的、热的，谁也很难用几个方程式表达出来用计算机去求解，到现在计算机求解都是近似的，很多情况下就是靠实验，我做了实验之后仿真来看看行不行，然后再修改仿真模型，如果仿真模型套上这个使用结果就成功了，如果不行就要来回纠正。我们希望有一个比较好的计算机仿真软件，能够预算精度，精度高速度又快，至少能够给我一个指导性建议，就不用再走一些错路。这也是我非常渴望能够做到的结果。
    但是增材制造过程中多种复杂物理现象相互交织影响和多过程变量使得过程控制非常困难，所以不同零件需要不同的工艺参数，过程变量随着零件的制造过程而发生变化。如果不解决这些问题，能够说服设计大量采用你这个技术，我感觉到还是有一定的时间，需要大家一起奋斗。
    工艺过程不是很成熟，缺乏稳定的过程控制，组织性能恒定不够，缺乏组织性能预测的方法。缺乏相应的标准，最关键的是可接受的零件验收测试方法，比如我们做的翼梁，实际上我们想两边留10毫米的余量，材料利用率也高，但是不行，这边要5毫米增加，那边要5毫米增加，一下子就增加了10毫米，这样不行。
    我就讲这些，不对之处欢迎大家批评指正。