浙江工業(yè)大學(xué)打破金屬零部件增材制造瓶頸

　　激光制造技術(shù)已成為新一代高端制造技術(shù)之一，增材制造(3D打印)，是運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構造物體的技術(shù)，是實(shí)現高端裝備制造突破的關(guān)鍵技術(shù)。但同時(shí)，工業(yè)上無(wú)法大面積推廣，卻讓浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院姚建華教授敏銳地察覺(jué)到“這里面一定有文章可做。”

　　作為浙江省高端激光制造裝備協(xié)同創(chuàng )新中心執行主任，姚建華在激光技術(shù)領(lǐng)域早有建樹(shù)。幾年前，通過(guò)引進(jìn)烏克蘭的單元技術(shù)，該中心研發(fā)出了通過(guò)激光強化汽輪機葉片防水蝕能力，實(shí)現了國產(chǎn)化的汽輪機葉片防水蝕能力的重大突破，徹底地打破國外壟斷。而今，在國家自然科學(xué)基金-浙江“兩化融合”基金的推動(dòng)下，姚建華團隊提出了“基于超音速激光沉積的金屬增材制造技術(shù)基礎研究”，將目光瞄準了“超音速冷噴涂+激光技術(shù)”這種新型的3D打印技術(shù)。

　　姚建華說(shuō)，高端裝備制造是浙江省和國家未來(lái)發(fā)展的重要方向，但目前我國存在基礎研究薄弱、先進(jìn)制造手段缺乏、制造過(guò)程能耗大等問(wèn)題，嚴重制約其發(fā)展，而作為實(shí)現這一突破的關(guān)鍵技術(shù)，3D打印由于存在著(zhù)效率低、成本高及質(zhì)量難以控制三大難題，成為了現階段實(shí)現工業(yè)化應用的主要瓶頸。

　　浙江工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院姚建華教授介紹相關(guān)技術(shù)

　　瞄準三大難題，結合先前經(jīng)驗，姚建華團隊創(chuàng )新的將3D打印與超音速冷噴涂技術(shù)相融合，提出了超音速激光沉積技術(shù)，該技術(shù)利用了超音速激光沉積技術(shù)和激光熔覆技術(shù)的各自?xún)?yōu)勢，具有沉積效率高、溫度低、成本低、性能高等優(yōu)點(diǎn)，是一種極具潛力的新型金屬3D打印技術(shù)。

　　“就以汽輪機葉片為例，這項技術(shù)又可以讓它的防水蝕能力實(shí)現突破。”指著(zhù)實(shí)驗室里躺著(zhù)的一個(gè)葉片，姚建華向記者介紹起來(lái)。具備高度防水蝕的汽輪機葉片在國際市場(chǎng)上單價(jià)賣(mài)到2-3萬(wàn)歐元，相當于一臺奧迪車(chē)的價(jià)格，而國內一個(gè)百萬(wàn)發(fā)電機組里面就需要用到一千多個(gè)不同型號的葉片。隨著(zhù)使用時(shí)間的增加，葉片迎風(fēng)的部位會(huì )出現破損，這勢必要讓發(fā)電機組停機后進(jìn)行維修或者葉片的更換。

　　但是有了新型金屬增材制造技術(shù)后，這一現象就能得到根本的改觀(guān)。一方面，對現有葉片的維修成本能夠大大降低，將破損的葉片用強度更高的材料進(jìn)行金屬3D打印即可修復;另一方面，在全新葉片的制造過(guò)程中，除了運用激光表面強化外，在關(guān)鍵部位能夠用強度更高的材料進(jìn)行一體化打印制造，極大地提升葉片的使用壽命，預計用新型增材制造技術(shù)，其效率和性能比目前單一的激光3D打印至少增加數倍，而且成本不增反降。

　　姚建華說(shuō)，目前課題組是國際上首個(gè)提出將超音速冷噴涂沉積與激光技術(shù)相結合實(shí)現金屬3D打印的觀(guān)點(diǎn)。在前期基礎研究基礎上，協(xié)同創(chuàng )新中心將聯(lián)合劍橋大學(xué)合作等國內外頂級團隊，通過(guò)對超音速動(dòng)量場(chǎng)與高能激光束溫度場(chǎng)等多能量場(chǎng)耦合關(guān)系、沉積層顆粒和沉積層之間的固態(tài)結合機理以及增材制造形成過(guò)程中缺陷及應力的產(chǎn)生機制等科學(xué)問(wèn)題的研究，獲得實(shí)現增材制造必須的工藝及質(zhì)量控制方法，打破現有金屬零部件增材制造技術(shù)瓶頸，最終利用該技術(shù)實(shí)現高端裝備關(guān)鍵零部件的高效率、高品質(zhì)、低成本智能化增材制造，為浙江乃至全國制造業(yè)轉型升級提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。