欧中科技获批2018年度国家重点研发计划,负责TC4、GH3536及GH4169金属球形粉末的国产化、粉末表征及粉末数据库的建立

近日,从科技部传来喜讯,由中国商发牵头,欧中科技参与的2018年度国家重点研发计划“增材制造支撑动力装备复杂系统构件创新设计、制造和维修全流程优化的应用示范”获得立项批复,项目总经费2744万,其中欧中科技牵头子项目二“增材制造用高性能粉末及材料性能数据库”,负责TC4、GH3536及GH4169金属球形粉末的国产化、粉末表征及粉末数据库的建立。

离心雾化

欧中科技成立于2013年12月,是由西北有色金属研究院发起成立的专注于金属球形粉末制造的高新技术企业。公司在国内率先开展超高转速等离子旋转电极制粉技术(SS-PREP)的研发及产业化,开发出铝及铝合金、钛及钛合金、铜合金、镍基合金、钴基合金、特种钢、TiAl、Ti2AlNb、NiTi等多种类型的金属球形粉末,广泛应用于激光铺粉(SLM)、激光送粉(LMD)、电子束铺粉(EBM)及粉末冶金(PM)等领域。产品照片如图1所示。

图 1 欧中科技金属球形粉末形貌

钛合金具有优良的比强度和生物相容性。近年来,钛合金的增材制造技术在国内外发展迅速,广泛应用于航空、航天、航海、医疗等领域。多年来,由于国内钛合金球形粉末制备技术的落后,增材制造特别是SLM所需的钛合金细粉大量依赖进口,严重制约了我国钛合金增材制造技术的发展。欧中科技采用SS-PREP技术突破了高品质超细钛合金球形粉末制备技术,生产出了球形度良好、基本无空心粉和卫星粉、流速优良、品质稳定的超细钛合金球形粉末,并采用EOS、SLM Solutions、Arcam等知名设备制造商的打印设备成型了不同类型、不同复杂程度的钛合金打印部件,成功应用于航空、航天重点型号,医疗植入物等领域。由于离心雾化制备的钛合金超细粉基本无空心粉,成形的零部件抗拉强度、屈服强度等力学性能指标与国外气雾化钛合金粉末打印件性能相当,而塑性、断裂韧性和疲劳性能远远高于气雾化粉末打印件水平,如图2~4所示。

图2激光选区熔化(SLM)成形Ti6Al4V的力学性能

图3电子束选区熔化(EBM)成形Ti6Al4V原始态的金相显微组织

(a)旋转电极SS-PREP粉末(b)等离子雾化PA粉末

图4电子束选区熔化(EBM)成形Ti6Al4V的疲劳性能

作为一家研究院所控股的高新技术企业,在进行大量技术攻关和实现技术突破的同时,也特别注重于控制成本,提升产品的市场竞争力。在原材料供给端,实现了研究院集团内部钛合金和高温合金母材的自给自足,充分控制了原材料的成本,同时可以根据客户的特殊需求灵活调整合金元素的含量;在粉末制备过程,通过调整转速、棒材直径等关键参数,大幅度提高目标粉的收得率,充分控制产品成本。

展望未来,欧中科技通过参与国家重点研发计划、科工局进口替代等一系列重大专项,逐步实现高品质金属球形粉末的国产化,并通过产业链整合和技术的不断提升,大幅度提高我国高品质金属球形粉末的性价比,实现对国外同类型产品的超越。

3D科学谷Review

关于粉末表征的重要性,已经获得了各个国家的重视。其中,根据3D科学谷的市场研究,美国的增材制造创新中心America Makes制定的增材制造材料材料重点领域目标是建立材料知识的体系,为增材制造材料建立基准特性数据,包括创建一个范式转变,从控制过程参数来“建立”微观结构,而不是控制底层物理学上的微观尺度,以实现一致的可重复性的微观结构,从而“设计”材料属性。需要发展的技术重点和相关的影响分析指标包括:标准化原料、基准材料属性数据、工艺产权结构关系、进程窗口边界定义、后处理指南和规范。

此外,根据3D科学谷的市场观察,美国还成立了增材制造材料联盟(CAMM-Consortium for Additive Manufacturing Materials)。目标是将材料的生产、研究机构、设备供应商、零件生产厂家和最终用户联合起来共同推动新材料工艺的基础研究和发展。

值得注意的是CAMM意识到材料进步与加工工艺与数据密不可分,因此在他们的认为重要的研发举措中,最材料的支持项目通常是与加工工艺与数据是紧密联系在一起的。这一点,国内可以予以参考借鉴。

CAMM认为当前增材制造材料要将加速发展,必须要解决的问题是对加工工艺与材料之间的相互作用关系的理解,脱离加工工艺的材料开发是没有意义的。而当前的挑战包括:

-缺乏专门的针对材料进给的设计指南

包括进给材料的化学组成、流变、粘合材料、融化机制这些是如何影响增材制造过程中的加工变量以及如何影响最终零件的微观结构及性能的,这种相关性研究需要建立起来。

-当前的仿真软件缺乏对材料在加工过程中的预测

仿真软件要达到更精确的预测加工结果的目的,必须将材料、工艺、零件性能的各种参数之间的相关性精确的分析出来,这依靠大量的加工数据。

-缺乏预测增材制造零件结构的建模工具

这需要在大量的取证实验结果的基础下进行材料微观特征结构的数据库建设。

在3D科学谷看来,不过数据是死的,要从数据中获取有价值的规律以上升为工艺控制能力,软件将发挥最大的作用。当前典型的软件包括Sigma Labs,美国硅谷的高科技企业Authetise的3Diax Machine Analytics以及创业型公司Amphyon和3DSim(被ANSYS收购)通过仿真来达到对增材制造结果的控制。

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