顏永年：熔覆-擠壓工藝在高端裝備制造的應用前景
時間：2016-01-09 19:51 來源：未知 作者：中國3D打印網(wǎng) 閱讀：次
江蘇永年激光成型技術有限公司董事長顏永年
當前，國內、外重型裝備的重型和大型高端結構件，無一例外地采用重型精煉和重型真空鑄錠獲得的重型或超重型鋼錠，通過“開坯”、“預鍛”和“終鍛”完成，這就是近兩個世紀以來的重型自由鍛工藝。而采用與重型自由鍛工藝完全不同的成形技術——3D打印金屬激光熔覆(LC——Laser Cladding/電子束熔覆(EC——Electron beam Cladding) 技術，完成無偏析的高端優(yōu)質坯件，再與現(xiàn)代熱擠壓工藝相結合，通過高溫高壓閉式擠壓，獲得高端重型和大型結構件。這種金屬激光熔覆制坯-熱擠壓最終成形的創(chuàng)新工藝稱為熔覆-擠壓(C-E ——Cladding-Extrusion)工藝。C-E先進成形工藝是用于高端裝備制造的工藝，在航空、電力、高鐵、海洋、核電和軍工領域具有廣闊的應用前景。
一、背景簡介
進入21世紀，高端裝備制造對重型、大型和具有殼臺、管臺的復雜腔體等核電、海工和軍工高端結構件的質量要求越來越高，數(shù)量要求越來越多。一般鍛件賣不動，高端鍛件供不應求，核電鍛件尤為嚴重。現(xiàn)在是“誰有核鍛件，誰就有核電站”的年代。傳統(tǒng)的重型自由鍛設備在我國十分過剩，但又不能很好解決高端鍛件的問題。重型自由鍛采用重型鋼錠為原材料，為提高材料內部質量通過“開坯”來消除偏析，材料和能源浪費很大，鍛造精度很差，制造周期很長。在高端、重型成形制造領域，平均1.5~2噸鍛件才能加工出1噸零件，而1噸零鍛件需要4噸鋼錠，故平均6~8噸鋼錠才能加工出1噸零件。美國西屋公司AP1000標準的核反應器過渡段，17噸，需鋼錠96噸，材料利用率僅17%。核鍋爐鍛件(508-Ⅲ鋼)之鋼錠平均利用率僅為20%-25%。鈦合金空-空導彈彈頭和彈體的材料利用率僅15%。表1和表2說明了核電高端鍛件材料利用率是十分低的。重型高端鍛件的成形制造周期太長是另一個問題，一根重量8-10噸的核電一回路主管道，需一年的制造周期。AP1000 100萬kw，建設時間長達4年，200萬kw建設周期需6年。重型高端裝備的制造周期長、材料利用率低等因素的綜合影響，導致投資巨大AP1000 100萬kw 核電站需100~120億人民幣的建設投資。
表1 核電高端鍛件材料利用率表
表2 核電高端鍛件材料和鋼錠利用率表
我國的高端重型裝備制造的傳統(tǒng)技術路線。這是基于重型自由鍛技術的《7654》路線，即傾國之力建設具有700噸鋼水-600噸鑄錠-500噸鑄件-400噸鍛件能力的技術路線。不可否認，長期以來，《7654》路線為我國的重型裝備和國防建設做出了巨大的貢獻，大大推動了我國重型裝備制造的發(fā)展。但進入21世紀以來，其弱點，隨著核電、航空、海工向高參數(shù)、大容量、高效率、節(jié)材、節(jié)能、低排放方向發(fā)展，逐漸暴露出來，并為工程界所重視。大量的事實證明，《7654》技術路線是高能耗、高材耗、高排放，低效率的技術路線。
《7654》路線流程示意見圖1，其核心問題在于鋼錠達到600噸重，由于600噸重，才需要700噸鋼水和巨大的真空鑄錠能力;由于600噸重，導致嚴重偏析，這才需要1~2萬噸自由鍛液壓機進行開坯。事實上，600噸鋼錠一般僅能完成100~200的鍛件。鋼錠之600噸，并不是零件的需求，而是技術路線和工藝的需求，是該技術路線本身的問題所致：自由鍛在開式環(huán)境中，需要大體積的塑性變形(大鋼錠的高溫塑變)，才能獲的動態(tài)再結晶所需要的高強度應力場。上述需求，導致了7654路線的現(xiàn)狀。
7654路線的本質是《以大制大》——零件越大，鋼錠更大，鋼錠重與零件重(如100萬kw核電核反應器)之比約在6~8之間。《以大制大》造成巨大體量之液態(tài)金屬的凝固，引起嚴重偏析 ;引起巨大鋼錠之開坯，需要大功率的設備，造成能源、材料和工時的巨大浪費，見圖2。
圖1 《7654》技術路線示意圖
圖2 《以大制大》示意圖
事實上，傳統(tǒng)的重型模鍛最適用于航空壁鈑和桿件成形;多向模鍛最適于小型腔體件，均無法解決上述核電、海工和軍工領域中，長期困擾工程界的重型、大型殼體的成形制造問題，這些軸對稱和準軸對稱、大型、超大型的高端殼體的成形制造任務只能有自由鍛來完成了。
3D打印重型熔覆工藝，為解決上述問題開啟了一扇大門。本團隊在多年金屬激光3D打印產(chǎn)業(yè)化，特別是重型熔覆工藝的產(chǎn)業(yè)化的成果基礎上，提出3D打印重型熔覆技術與重型熱擠壓技術相結合的創(chuàng)新技術路線。這是一種高效、節(jié)材、節(jié)能、減排的，高端重型金屬成形工藝和設備系統(tǒng)，它開辟了一個重型裝備制造的新時代。
二、金屬激光熔覆工藝
(1)熔覆工藝LCD和EBAM 簡介
熔覆(Cladding)是指，在高能量密度的束流(激光束和電子束)作用下，在材料表面產(chǎn)生的冶金過程，其與3D打印的原理相結合，一層又一層地熔覆(增材成形)，即形成LCD——Laser Cladding Deposition(激光熔覆沉積)工藝和 EBAM——Electron Beam Additive Manufacturing(電子束增材制造)工藝，分別見圖1和圖2。在LCD噴頭中，激光束經(jīng)透鏡被聚焦到熔覆件的表面，形成微熔池，同時金屬粉末也同步送到微熔池中，迅速熔化，并隨熔池離去而迅速冷卻，完成熔覆，連續(xù)進行此過程即LCD過程。EBAM過程與此類似，將激光束流換成電子束流、金屬粉換成金屬絲即可。
圖1 LCD原理圖及4000W LCD噴頭的外形圖
圖2 EBAM原理圖
采用LCD和EBAM工藝成形金屬構件，特別是重型構件，優(yōu)點明顯：熔覆成形過程自動保證了結果的無偏析，熔覆所得坯件結構形狀合理，可最好地滿足后續(xù)熱擠壓之需，而不是粗造的自由鍛件。詳細分析如下：
A. 熔覆工藝以小型冶煉系統(tǒng)生產(chǎn)的金屬粉末或絲材為原材料，而不是以數(shù)十噸或數(shù)百噸真空冶煉和真空鑄錠系統(tǒng)而得的重型鋼錠為原材料，這就節(jié)省了巨額投資和建設周期，大大降低成本，
B. 熔覆工藝成形制造的無論是坯件還是最終結構件，其材料利用率可從傳統(tǒng)自由鍛工藝的20~30%(核電結構件)提高到50~60%，節(jié)省大量的寶貴材料，節(jié)省材料就是節(jié)省能源;
C. 無偏析(Segregation-free)，這是以金屬粉末和絲材為原材料的3D打印熔覆工藝的共同特點。無數(shù)金屬粉末在微熔池中迅速熔化并凝固“組裝”而成形，就從根本上消除了巨大體量金屬熔體，凝固形成之嚴重偏析，它為獲得成分均勻和性能優(yōu)良的成形件的奠定了基礎。既然無偏析，也就無需開坯鍛造工藝，節(jié)省大量的設備、能源和材料。
D. LCD和EBAM可完復雜的結構的成形，這是增材成形最重要的優(yōu)點——“柔性”，可成形形狀合理，符合擠壓工藝需要的坯件，保證擠壓工藝的順利進行。圖3為美Sciaky公司采用EBAM工藝完成的6米×1.2米×1.2米大型構件照片，圖4為美Lasertec公司采用LCD技術完成整體葉輪。
圖3 美Sciaky公司完成的6×1.2×1.2米構件，(下圖為加工后)
圖4 美Lasertec公司采用LCD技術完成整體葉輪-葉片(加工后)
(2)熔覆工藝LCD和EBAM 的“先天不足”
激光熔覆和激光熔化技術完成的成形件，并不能全部達到高端結構件對機械性能嚴格的要求。熔覆工藝雖然因快速非平衡冷卻，較容易成細小、均勻、等軸的晶粒，因而均可保證σb(斷裂極限)，σs (流動極限)超過各種鑄造工藝的強度，接近或達到鍛造的強度。然而激光熔覆成形畢竟仍是一種液態(tài)凝固的成形過程，這是一種“先天不足”，主要表現(xiàn)在成形件的塑性不夠。主要原因在于缺少在熱-力耦合作用下，迫使金屬產(chǎn)生塑性流動，而發(fā)生的動態(tài)再結晶過程。只有動態(tài)再結晶，才能不但徹底破碎枝晶、非金屬氧化物、閉合裂紋和空洞，而且還修復晶界，這就為獲得優(yōu)良的組織及性能奠定了金屬學和熱力學基礎。大量的實驗證明：LCD成形工藝而δ(流動極限)ψ(斷面收縮率)往往達不到鍛件的水平，最終沖擊韌性ak必受很大的影響，達不到要求。發(fā)明LENS技術的美Sandia國家實驗室，將各種材料的激光熔覆成形樣品與鍛造退火樣品比較，就能說明問題。他們公布4組實驗結果，就有一組718鎳合金的LENS工藝之δ值僅16%，比鍛造退火值的20%，差得較多，見表3 。我國華南理工大學楊永強教授對鎳鉻合金的工藝實驗證明，激光熔化樣品的延伸率僅為4%，遠達不到鍛造8%的水平。本團隊的高溫合金的激光熔化(SLM工藝)實驗結果也證明，SLM的延伸率δ和斷面收縮率ψ達不到先進熱擠壓的水平。
表3 美Sandia國家實驗室LENS實驗結果表
三、熔覆-擠壓工藝
上述分析說明，基于自由鍛的《7654》技術路線已難以滿足21世紀對重型裝備制造的要求，而3D打印激光熔覆工藝的成形件之δ和ψ以及沖擊韌性ak 均難以穩(wěn)定地達到重型高端裝備制造的要求，但如果將激光熔覆工藝與現(xiàn)代重型熱擠壓工藝結合起來，以后者來大大提高前者的δ、ψ和ak 則就有另外一番新天地。
事實上，與《7654》技術路線的《以大制大》不同，3D打印增材成形的制造機制是《以小制大》： 采用高能束(激光束或電子束)，聚焦于金屬表面(含先凝固的質點表面)，產(chǎn)生1400度高溫，連續(xù)熔覆(熔化)并凝固，形成無數(shù)微小(數(shù)十微米~數(shù)毫米)的，無偏析均質的質點，將這些微小的質點實時組裝，就形成無偏析、均質的坯件。多個熔覆噴頭同時熔覆，即可獲的重型坯件，即無需600噸重型鋼錠、無需600噸鋼錠的開坯、無需預鍛，采用微滴凝固-組裝，完成優(yōu)質金屬坯件成形制造。
正如前述，工程上的最佳消除鑄造缺陷的方法，就是采用動態(tài)再結晶，即在應力場下，隨著金屬的變形進行重新結晶，而完成晶界的修復、晶粒的細化和缺陷的消除。本文建議采用擠壓軸，以數(shù)千噸~數(shù)萬噸的擠壓力，直接作用在高溫熔覆坯件，產(chǎn)生400~600Mpa的球應力，迫使金屬產(chǎn)生動態(tài)再結晶，大大提高δ、ψ值，最終和獲得理想的ak值。本文作者和團隊，擁有先進的重型熱擠壓工藝和設備技術，完成了全國第一套1.5萬噸/3.6萬噸，垂直鋼管制坯/擠壓系統(tǒng)，并獲得國家科技進步獎。
C-E工藝是嶄新的重型金屬成形創(chuàng)新工藝，它擁有熔覆和擠壓兩方面的優(yōu)點，是先進的重型金屬激光3D打印與傳統(tǒng)擠壓工藝結合的典范，它保證最終制件在強度和塑性兩方面，均獲的極高的，穩(wěn)定的機械性能，保證 σb、 σs、 δ、 ψ 、ak 全面達標。圖5為C-E工藝技術路線圖。
圖5為C-E工藝技術路線示意圖
C-E技術將3D打印與熱擠壓進行了巧妙結合：利用熔覆工藝的無偏析(Segregation-free)優(yōu)點——無需開坯
利用3D打印熔覆工藝的柔性成形的優(yōu)點 ——無需預鍛(預成形)
利用熱擠壓提高成形件的塑性，保證成形件全面的機械性能 。
麥肯錫全球研究所的一項新研究—— “驅動經(jīng)濟未來的12種技術”強調指出：《在任何一個領域，各家企業(yè)都在做同一件事情：將所有這些技術以利潤最大化的方式結合起來。技術創(chuàng)新所帶來的實際經(jīng)濟收益不會源自那些炫目的想法，至少在近期內如此，而是源自正在趨于成熟的新興技術與存在了數(shù)十年的傳統(tǒng)技術的巧妙結合》*。 C-E工藝就是這樣一種新興技術與存在了數(shù)十年的傳統(tǒng)技術的巧妙結合的典型。
圖6 修正的7654技術路線流程示意圖
四、核電主管道的熔覆-擠壓工藝分析
下面以核電主管道鍛件成形制造為例，分析C-E工藝。核電主管道是核電一回路上關鍵結構件，一個100萬kw的反應堆，需8~12根主管道。主管道為AlSI-316L不銹鋼，主管道零件重8~10噸，市價1500萬/根。一根主管道上有兩個非對稱的管臺，圖7為AP1000 主管道鍛造毛坯的設計圖(主管道零件為彎曲結構，管道彎曲工藝成熟，本項目未加分析)。管臺之一體化成形是對重型鍛壓成形工藝的重大挑戰(zhàn)。
圖7 AP1000 主管道鍛造毛坯的設計圖
為了說明C-E法的特點，以下列出《自由鍛法》的成形方法要點，以資比較。
(1)《自由鍛法》
目前核電制造業(yè)，只能成形實心的(無內孔)，直型(不彎曲)之實體結構。
核電主管道的《自由鍛法》成形工藝，為目前我國的基本成形制造方法。完成的主管道為盲孔(無內孔的實心柱體)，管臺成形為方形臺體的鍛造毛坯，見圖8。按單邊裕量按80 mm計算，其重量為56噸左右。自由鍛工藝的鋼錠材料收得率較低，鋼錠按鍛件重量的2.5倍計算，為56X2.5=140噸*。核電主管道的《自由鍛法》采用1.2~1.5萬噸自由鍛液壓機，生產(chǎn)效率很低，僅為12個月/根。顯然主管道的《自由鍛法》的鍛造毛坯粗放，鍛件重，鍛造工序長，后續(xù)加工工時大，材料利用率低。
圖8《自由鍛法》核電主管道鍛件圖
(2)核電主管道成形制造的C-E工藝
CE工藝是完成核電主管道鍛造毛坯的創(chuàng)新工藝。CE法可成形的鍛造毛坯，其外徑：Ф1023mm、內徑：Ф 730mm，管臺部分外徑：Ф1200mm重量：26.4噸。
圖9 AP1000 主管道C-E法的熔覆坯件圖和剖面圖
CE法主管道成形制造流程見圖10和圖11。
首先采用3D打印LCD工藝——激光熔覆工藝，熔覆成一種用于擠壓的中間預制坯件。這是一種高質量的用于最終擠壓的坯件，完成了預成形的坯件，除無偏析均質的重要優(yōu)點之外，它還是凈成形(Net Shaping)小余量坯件。
其次，對中間預制坯件進行擠壓，即可獲得主管道的鍛造毛坯;
再其次，對主管道的鍛造毛坯進行熱彎曲并切削加工，即可獲的用于電站裝配的核電主管道零件。
圖10 CE法主管道成形制造框圖流程
中間預制坯件的設計和成形制造是CE法的重要步驟。要點如下：
① 主管道的兩個管臺在徑向均為非對稱結構， 鍛造難以成形，但LCD成形則沒有困難，CE法采用LCD工藝成形非對稱管臺，是本工藝的核心步驟之一;
② 中間預制坯件的兩端為具有一定深度的盲孔，左盲孔的深度大于右盲孔。盲孔是為后續(xù)內孔擠壓工序準備的;
③ 中間預制坯件的中段為實心結構，而非空心(圖9)，其目的在于為后續(xù)擠壓工序留出所需的變形量(金屬流動量)。只有合適的足夠的金屬流動量，才能防止擠壓加熱時，的晶粒長大，并保證良好的動態(tài)再結晶。
④ LCD中間預制坯件為直管，擠壓后也是直管，見圖11。完成直管坯件后，再采用重型鋼管的彎曲方法進行彎曲，以獲得最終的鍛造毛坯，見圖12。
圖11 CE法主管道成形制造示意流程
圖12 CE法擠壓成形件圖
五、小結
C-E工藝是先進的3D打印工藝與先進擠壓工藝相巧妙結合的典范，對重型高端制造來說，是開創(chuàng)性的。
本項具有四大優(yōu)點：
(1)本工藝不采用重型鋼錠，也就節(jié)省了重型冶煉、重型真空鑄錠一系列重型設備和工藝過程。本技術路線采用各類金屬粉末作為原材料，這一改變導致材料的利用率大大提高，原材料運輸、存儲的成本大大下降;
(2)本工藝不采用自由鍛，而采用小型冶煉-制粉系統(tǒng)制粉，將粉末在微熔池中熔化并迅速凝固組裝而成形，完成不存在成分和雜質偏析的，無需開坯強度就可達到要求;無需預鍛，形狀就可接近最終結構件精化坯件。本工藝節(jié)省大量的重型開坯和預鍛設備、資金和時間;
(3)本項目采用擠壓工藝，在半通用的擠壓模中，擠壓上述3D打印坯件而最終成形。擠壓過程是提高激光熔覆工藝完成的坯件之塑性，從而提高最終結構件的沖擊韌性和全面機械性能以及質量穩(wěn)定性和一致性之核心步驟。
(4)C-E工藝在高端結構件領域，如航空、核電、海工等領域的核心零、部件成形制造方面，具有很強的競爭力，主要表現(xiàn)在節(jié)材、節(jié)能和節(jié)省工時，大大提高生產(chǎn)效率。
作者簡介：顏永年，江蘇永年激光成形技術有限公司董事長，清華大學教授、博導,從事材料成形研發(fā)40多年。第一任清華大學材料成形制造自動化研究所所長，第一任清華大學生物制造研究所所長，江蘇省增材制造專委會理事長，中國3D打印技術產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟首席顧問，國內較早從事3D打印技術研發(fā)的專家之一，曾獲國家科技進步獎二等獎兩項，三等獎一項，省、部級獎五項和其它各種獎項幾十項，承擔并完成了多項國家自然科學重點基金、國家863計劃及企業(yè)的橫向合作任務。顏教授帶領的研發(fā)團隊在三維打印技術的工藝、設備、控制等方面取得了豐碩的成果，其中熔融擠壓成形工藝的3D打印技術已在北京產(chǎn)業(yè)化，面向國際化生產(chǎn)。位于昆山的江蘇永年激光成形技術有限公司主營的金屬3D打印設備產(chǎn)品與非金屬3D打印設備產(chǎn)品相比，其技術難度和應用價值更高，可將金屬粉末直接融化、燒結、燒覆，做出技術復雜的金屬零件，在模具、航空航天、汽車制造領域應用廣泛。
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