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1、西門子瑞典芬斯蓬工廠：3D打印革命下的燃?xì)廨啓C(jī)制造
3、Inconel718（GH4169／UNS N07718）是什么材質(zhì)
西門子瑞典芬斯蓬工廠：3D打印革命下的燃?xì)廨啓C(jī)制造
芬斯蓬工廠負(fù)責(zé)生產(chǎn)功率從15MW到50MW（1MW，即從SGT-500到SGT-800的5個(gè)型號(hào)，此外，英國(guó)生產(chǎn)的更小功率SGT-300和SGT-400，以及北美生產(chǎn)的航改型燃?xì)廨啓C(jī) Industrial，也會(huì)運(yùn)至芬斯蓬工廠成套，工業(yè)流程中產(chǎn)生的氫氣或合成氣是潛在的燃?xì)廨啓C(jī)燃料，西門子Finspong工廠希望能夠利用這些氣體為汽。
但是由于在使用時(shí)這些氣體需要通過燃燒器進(jìn)行均勻混合，而現(xiàn)有的燃燒器無法達(dá)到這樣的效果，所以西門子一直無法將這些氣體加以利用，而經(jīng)過設(shè)計(jì)優(yōu)化的3D打印燃燒器解決了氣體均勻混合的，西門子芬斯蓬工廠生產(chǎn)和組裝的上百噸重的燃?xì)廨啓C(jī)，包括全球銷量超過325臺(tái)的SGT－800。
會(huì)被整體裝車，運(yùn)向北雪平港，從波羅的海出發(fā)，輸往世界各地的客戶，這是一種名為選擇性激光熔融的增材制造技術(shù)，與激光燒結(jié)技術(shù)相比，選擇性激光熔融3D打印機(jī)控制激光在鋪設(shè)好的粉末上方，選擇性地對(duì)粉末進(jìn)行掃描。
將金屬粉末加熱到完全熔融后成型，不需要黏合劑，成型的金屬零件致密度和力學(xué)性能都更好，總體來說，3D打印在注入燃?xì)廨啓C(jī)這樣的精密設(shè)備領(lǐng)域可發(fā)揮的空。
從合金的結(jié)晶控制，到零件的精密性和復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)，3D打印不僅僅推動(dòng)了工業(yè)再設(shè)計(jì)，還在生產(chǎn)和修復(fù)過程中節(jié)約了生產(chǎn)資源，并通過提高最終產(chǎn)品的性能，帶來更大的發(fā)電效益發(fā)揮除了一兩撥千斤的價(jià)值，燃?xì)廨啓C(jī)是以連續(xù)流動(dòng)的氣體帶動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)的內(nèi)燃式。
重型燃?xì)廨啓C(jī)是大型天然氣發(fā)電廠的核心裝備，也是公認(rèn)最難制造的機(jī)械裝備之一，其核心關(guān)鍵技術(shù)為西門子、GE等制造業(yè)巨頭掌握，目前芬斯蓬工廠還開始為第三方提供3D打印服務(wù)，西門子還為克爾斯科核電站的水泵更換了一個(gè)葉輪，3D打印葉輪的直徑為108mm，用來替換克爾斯科核電站水泵中的舊葉輪。
在葉輪的原始設(shè)計(jì)缺失的情況下，西門子的工程師采用逆向工程技術(shù)創(chuàng)建了葉輪的數(shù)字化模，然后通過西門子增材制造工廠中的3D打印設(shè)備將葉輪制，在替換舊葉輪之前，克爾斯核電站和一個(gè)獨(dú)立機(jī)構(gòu)對(duì)3D打印葉輪進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試方法包括CT掃描，以確定它的適用性，測(cè)試結(jié)果表明。
3D打印替換部件的材料性能甚至優(yōu)于之前的葉輪，西門子為克爾斯科核電站提供3D打印的葉輪備件，體現(xiàn)出3D打印技術(shù)為能源裝備制造備品備件的便利性，即在備件已經(jīng)停產(chǎn)并且沒有原始設(shè)計(jì)的情況下，能源裝備中出現(xiàn)問題的零部件仍能及時(shí)的得到更換，位于英國(guó)的葉片孵化器，3D打印除了用于生產(chǎn)和維修，在加快原型設(shè)計(jì)方面的作用是不容忽視的。
更快地設(shè)計(jì)，這是每個(gè)工程師的終極夢(mèng)想，而通過數(shù)字建模和3D打印技術(shù)，使得設(shè)計(jì)的迭代過程變得迅速，查找往期文章，請(qǐng)登陸www.51shape.com。
在首頁搜索關(guān)鍵詞，網(wǎng)站投稿請(qǐng)發(fā)送至editor@51shape.co，葉片的加工技術(shù)則來自與西門子收購的Material，Materials Solutions的核心競(jìng)爭(zhēng)力，最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域包括Inconel 625，Inconel 718。
以及鎳基合金包括Hasteloy X，C263，C1023，CM247LC，通過實(shí)現(xiàn)對(duì)材料在加工過程中的控制，Materials Solutions發(fā)展了自己的，不僅是性能優(yōu)越。
而且其幾何形狀也是通過傳統(tǒng)加工方 式無法實(shí)現(xiàn)的，芬斯蓬與燃?xì)廨啓C(jī)，內(nèi)容參考：3D科學(xué)谷、澎湃新聞，芬斯蓬這座人口不過萬余的瑞典東約特蘭省小城，與燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)業(yè)有著超過一個(gè)世紀(jì)的淵源，芬斯蓬向東半小時(shí)車程，是東部港口城市北雪平。
有“瑞典的曼徹斯特”之稱，不過，發(fā)電領(lǐng)域給3D打印工藝提出了更高的要求，以燃?xì)廨啓C(jī)為例，首先。
零件熱負(fù)荷接近于普通金屬的熔點(diǎn)，其次，渦輪葉片所承受的離心力是凈重力的10000倍，最后，葉片尖端的線速度接近聲速，這個(gè)區(qū)域是瑞典工業(yè)化起源地之一，16世紀(jì)，德格爾家族看中了芬斯蓬的森林和河流資源。
在山上一塊巖石裸露的平地建立工廠，為皇室生產(chǎn)大炮和炮彈，1913年，芬斯蓬工廠開始生產(chǎn)渦輪機(jī)，工廠幾易其主，但渦輪機(jī)產(chǎn)業(yè)始終不變，迄今為止。
芬斯蓬工廠售出超過800臺(tái)燃?xì)廨啓C(jī)，2300臺(tái)蒸汽輪機(jī)，其中95%的產(chǎn)品向100多個(gè)國(guó)家出口，這些經(jīng)過3D打印設(shè)計(jì)優(yōu)化的燃燒器，支持更高燃燒溫度，可以處理高達(dá)60%的氫與天然氣的共燃。
由于氫氣比天然氣便宜，相比起純天然氣燃料，每年可以節(jié)省300萬歐元，2016年2月，西門子投資2000多萬歐元，將芬斯蓬一處遷出的學(xué)校改造成了西門子工業(yè)型燃?xì)廨啓C(jī)。
負(fù)責(zé)燃?xì)廨啓C(jī)零部件的快速原型設(shè)計(jì)、快速維修和快速生，2016年7月，3D打印零件開始商業(yè)化制造，從生產(chǎn)效益到產(chǎn)品效益的提升，西門子芬斯蓬工廠通過增材制造用于燃?xì)廨啓C(jī)的原型設(shè)計(jì)，西門子提供的數(shù)據(jù)顯示。
增材制造使生產(chǎn)資源使用減少了63%，維修速度提升60％，交貨期縮短50%，英國(guó)林肯工廠在3D打印燃?xì)廨啓C(jī)葉片上取得的進(jìn)展，與西門子2016年收購的英國(guó)3D打印公司Mater，后者專門生產(chǎn)渦輪機(jī)高溫應(yīng)用的高性能部件，3D打印的每一層金屬厚度大約在0.02mm到0.0，比頭發(fā)絲還細(xì)。
正在打印的這個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)零件，共由9000多層構(gòu)成，算法可以檢測(cè)每一層出現(xiàn)的漏洞，然后實(shí)現(xiàn)自我修正，西門子于2003年收購工廠，成為北雪平和芬斯蓬最大的私營(yíng)雇主。
芬斯蓬市中心人口只有數(shù)千，而西門子工廠雇傭了3300員工，將近一半為當(dāng)?shù)厝?，以往通過鑄造工藝制造的燃燒器由幾個(gè)拆分的部件焊接而，通過這種燃燒器僅可在空氣中混入幾個(gè)百分點(diǎn)的氫氣。
選擇性激光熔化3D打印技術(shù)則為燃燒器的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供，經(jīng)過優(yōu)化后的燃燒器擁有一個(gè)外壁和一個(gè)框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁，這個(gè)復(fù)雜的雙壁結(jié)構(gòu)零部件最終通過金屬3D打印設(shè)備一，不需要將幾個(gè)單獨(dú)的部件焊接在一起，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，早在2008年西門子Finspong-芬斯蓬工廠的，限于當(dāng)時(shí)成本與技術(shù)的限制。
3D打印技術(shù)僅被用于制造產(chǎn)品原型，在經(jīng)過5年的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)積累之后，2013年分布式發(fā)電服務(wù)部門已將3D打印的應(yīng)用拓展，如今這些應(yīng)用已經(jīng)融入到芬斯蓬工廠的日常生產(chǎn)工藝中，本期，我們結(jié)合參考澎湃新聞走訪西門子瑞典芬斯蓬的近距離視。
透過泛出綠光的玻璃窗口，可以看到4個(gè)光點(diǎn)正沿著特定的路徑，在一層白色的粉末上快速移動(dòng)，留下凝固成型的銀灰色金屬圖案，接著，工作平臺(tái)向下降低一級(jí)，一條金屬片掃過整個(gè)平臺(tái)，重新鋪滿金屬粉末。
進(jìn)行新一層的金屬圖案繪制，3D打印注入燃?xì)廨啓C(jī)新活力，燃?xì)廨啓C(jī)是重要的發(fā)電裝備，由壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪三大部分組成，其中燃燒室由外殼與內(nèi)部的火焰筒、燃燒器組成，燃燒氣體通過燃燒室端部燃料入口進(jìn)入燃燒室火焰筒與壓，實(shí)現(xiàn)膨脹做功，燃燒室是燃?xì)廨啓C(jī)中的重要部件。
它們?cè)O(shè)計(jì)難度大、材料昂貴，加工工藝復(fù)雜，燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性在很大程度上取決于這些部件的制造水，（更多信息，請(qǐng)參考3D科學(xué)谷發(fā)布的《3D打印與高溫合金白皮書》，芬斯蓬工廠現(xiàn)有的12臺(tái)3D打印機(jī)，來自德國(guó)EOS公司，其中。
有4臺(tái)是專門適應(yīng)西門子的需求，進(jìn)行過軟件改造的定制修復(fù)打印機(jī)，芬斯蓬工廠此前長(zhǎng)期回收磨損的燃?xì)廨啓C(jī)零件，進(jìn)行修復(fù)，像前文提到的曾由13個(gè)部件和18個(gè)焊接點(diǎn)組成和燃燒，以往需要大規(guī)模的切斷、重鑄，現(xiàn)在。
定制的3D打印機(jī)只需要截去頂部的24mm，快速打印，交貨時(shí)間縮短60%，燃?xì)廨啓C(jī)方面，除了芬斯蓬工廠，在西門子的另一個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)工廠——英國(guó)林肯工廠。
3D打印技術(shù)對(duì)SGT-400燃?xì)廨啓C(jī)的葉片進(jìn)行了重，葉片設(shè)計(jì)具有完全改進(jìn)的內(nèi)部冷卻幾何制造，利用多晶鎳超合金粉末制造，并改進(jìn)了冷卻性能，在滿負(fù)荷核心機(jī)測(cè)試中，葉片被高于1250攝氏度的高溫氣體包圍，每分鐘13000轉(zhuǎn)，增材制造可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的機(jī)械性能。
粉末狀原材料細(xì)晶組織，在微觀結(jié)構(gòu)上各向異性需要的控制和引導(dǎo)，西門子葉片的批量生產(chǎn)通過位于美國(guó)Worcester，芬斯蓬工廠目前采用3D打印制造的燃?xì)廨啓C(jī)零件，集中在燃燒室部分，SGT-800燃燒室前端，在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中，這個(gè)部位由13個(gè)部件和18個(gè)焊接點(diǎn)組成。
而3D打印技術(shù)將其作為整體打印，生產(chǎn)時(shí)間由數(shù)月縮短到一兩周，不僅僅將3D打印技術(shù)用于燃燒器的制造，芬斯蓬工廠還將3D打印技術(shù)用于燃燒器的修復(fù)，燃燒器工作在一個(gè)極端高溫的環(huán)境下，西門子的服務(wù)工程師會(huì)在燃燒器工作3萬小時(shí)之后將其拆，然后送到Finsopong工廠進(jìn)行修復(fù)，在這里。
工程師將燃燒器頂部去除掉一部分，然后通過近凈形3D打印技術(shù)直接將需要修復(fù)和重建的部，大約20小時(shí)之后，舊的燃燒器就修復(fù)完成了，隨后工程師就可以盡快將修復(fù)好的燃燒器安裝回去，盡可能降低因停機(jī)帶來的損失，通過這種方式。
西門子不僅可以對(duì)燃燒器按照原有設(shè)計(jì)進(jìn)行修復(fù)，還可以根據(jù)客戶要求按照最新優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案對(duì)燃燒器進(jìn)，穿上安全服、戴上護(hù)目鏡才能進(jìn)入的工作間，大致分為原型設(shè)計(jì)、打印、維修和后期處理四個(gè)區(qū)域，共配有12臺(tái)來自于德國(guó)EOS公司的3D打印機(jī)。
3D打印材料及其應(yīng)用概述
本文選自《物理》2018年第11期，圖3 3D打印的C919 中央翼緣條，水凝膠的3D打印方法包括光固化成形及直寫成形(Di，DIW)，用于光固化成形的水凝膠成分與光敏樹脂類似，包括溶劑、單體、交聯(lián)劑、光引發(fā)劑等，可以添加無機(jī)填料以實(shí)現(xiàn)水凝膠性能的調(diào)控，直寫成形是3D打印水凝膠更普及的一種形式。
打印時(shí)將水凝膠置于注射器中，采用電腦根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)控制注射器運(yùn)動(dòng)及擠出，擠出的水凝膠在外界條件的刺激(溫度、水分、pH、光，為了滿足3D打印的要求，通常要求水凝膠的固化速度足夠快。
或者流變性能滿足在打印時(shí)不發(fā)生變形，才能實(shí)現(xiàn)成功的打印，目前，商業(yè)化的水凝膠打印材料較少，大多數(shù)都處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，3D 打印技術(shù)，也被稱為增材制造(Additive Manufac，AM)技術(shù)。
是一項(xiàng)起源于20 世紀(jì)80 年代集機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)，該技術(shù)的基本原理是根據(jù)三維實(shí)體零件經(jīng)切片處理獲得的，以點(diǎn)、線或面作為基本單元進(jìn)行逐層堆積制造，最終獲得實(shí)體零件或原型，增材制造區(qū)別于傳統(tǒng)的減材(如切削加工)和等材(如鍛，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)方法無法或很難達(dá)到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造，并大幅減少加工工序。
縮短加工周期，因此得到了世界各地科研工作者的廣泛關(guān)注，根據(jù)2018 年的Wohlers Report 報(bào)，金屬增材制造產(chǎn)業(yè)有了明顯發(fā)展，文中指出，2017 年售出1768 套金屬3D 打印設(shè)備，相比2016 年的983 套增長(zhǎng)了將近80%。
作為3D打印中非常重要的材料，金屬材料在汽車、模具、能源、航空航天、生物醫(yī)療等行，圖1 胸骨假體CAD模型及實(shí)物，先進(jìn)陶瓷是一類采用高純度原料、可以人為調(diào)控化學(xué)配比，相比傳統(tǒng)陶瓷在力學(xué)性能上有顯著提高并具有傳統(tǒng)陶瓷不，先進(jìn)陶瓷從用途上可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷，結(jié)構(gòu)陶瓷常用來制造結(jié)構(gòu)零部件。
要求有較高的硬度、韌性、耐磨性和耐高溫性能，功能陶瓷則用來制造功能器件，如壓電陶瓷、介電陶瓷、鐵電陶瓷、敏感陶瓷、生物陶瓷，從化學(xué)成分上先進(jìn)陶瓷可以分為氧化物陶瓷和非氧化物陶，為了獲得更高性能的陶瓷，不僅需要對(duì)其成分進(jìn)行優(yōu)化改良，也對(duì)制造工藝提出了更高的要求，成形作為陶瓷制造中重要的一環(huán)。
3D打印先進(jìn)陶瓷也受到了越來越多研究者的關(guān)注，圖6 DIW技術(shù)制備透明石英玻璃流程圖，鎳基合金是一類發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的高溫合金，其在650～1000°C 高溫下有較高的強(qiáng)度和一定，廣泛用于航空航天、石油化工、船舶、能源等領(lǐng)域。
例如，鎳基高溫合金可以用在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪葉片與渦輪盤，常用的3D打印鎳基合金牌號(hào)有Inconel 625，水凝膠是一種具有交聯(lián)三維網(wǎng)絡(luò)的高分子結(jié)構(gòu)，能夠吸收并保持大量的水分(可達(dá)99%)。
根據(jù)聚合物來源的不同，可分為天然水凝膠與合成水凝膠，前者如明膠、瓊脂、海藻酸鈉等具有較高的溶脹性，機(jī)械性能相對(duì)較差，限制了其應(yīng)用范圍，后者由于水凝膠的成分、結(jié)構(gòu)、交聯(lián)度可調(diào)，使得合成水凝膠的各項(xiàng)性能可以在較大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控。
同時(shí)，合成水凝膠重復(fù)性好，能夠進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)制造，因此得到國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注，碳化物和氮化物陶瓷是非氧化物陶瓷的代表，具有高溫力學(xué)性能優(yōu)異、熱穩(wěn)定性良好、硬度高等優(yōu)點(diǎn)，但目前碳化物和氮化物是3D打印的難點(diǎn)。
主要原因如下：(1)碳化物、氮化物熔點(diǎn)很高甚至無熔，難以采用高能束直接熔化成形，(2)碳化物、氮化物在高溫環(huán)境下易與氧發(fā)生反應(yīng)生成，影響制件的高溫性能，(3)3D打印中所使用的大多為有機(jī)粘結(jié)劑。
成形后有機(jī)殘?zhí)茧y以完全去除，影響致密化過程，目前較有效的碳化物、氮化物3D 打印方法主要有SL，SLS是目前研究較多的碳化物和氮化物的3D打印方法，SLS 使用的碳化物、氮化物的材料主要包含無機(jī)粉體。
無機(jī)粉體可以是碳化物、氮化物本身(可含助燒劑)或者，在制得素坯后，通過一定的后處理得到所需的碳化物、氮化物陶瓷零件，例如SiC 陶瓷可以通過兩種方式獲得：一是通過SL，之后向骨架中浸滲樹脂、熱解后生成多孔碳。
最后通過滲硅得到SiC陶瓷，二是通過成形高分子骨架，熱解之后得到C 骨架，然后通過滲硅得到SiC 陶瓷，然而這兩種方式都不能確保反應(yīng)完全進(jìn)行得到純SiC相，其中的殘Si 或者殘C都會(huì)對(duì)SiC 陶瓷的性能產(chǎn)生，粘土礦物是應(yīng)用最為廣泛的陶瓷原料。
其特性是與水混合之后具有可塑性，這種可塑性是許多常用的成形工藝的基礎(chǔ)，將粘土加入適量的水制成可塑性良好的陶泥后，便可以進(jìn)行擠出3D打印，采用擠出3D打印工藝制造的陶瓷器件能夠保留3D打印，具有獨(dú)特的美感。
成形后的陶瓷坯體經(jīng)過烘干、燒結(jié)、上釉之后就能得到陶，這種工藝和耗材成本不高，適合于教育及文化創(chuàng)意行業(yè)，除此之外，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合還會(huì)有一些其他的需求，如應(yīng)用于鑄造的光敏樹脂要求低灰分甚至無灰分。
再如應(yīng)用牙科矯形器或植入物制造的樹脂要求對(duì)人體無毒，目前市面上銷售的光敏樹脂種類多樣，能夠滿足不同領(lǐng)域的需求，按照聚合體系劃分，可以分為自由基聚合和陽離子聚合，兩者的聚合機(jī)理和依靠的活性基團(tuán)各不相同，自由基聚合依靠光敏樹脂中的不飽和雙鍵進(jìn)行聚合反應(yīng)，而陽離子聚合依靠光敏樹脂中的環(huán)氧基團(tuán)進(jìn)行聚合反應(yīng)。
自由基聚合體系固化速度快，原料成本低，但在空氣中存在一定程度的氧阻聚效應(yīng)，會(huì)對(duì)固化性能及零件性能產(chǎn)生影響，陽離子聚合體系則無氧阻聚效應(yīng)，固化收縮小甚至無收縮。
但對(duì)水分很敏感，且原料成本較高，所以目前3D打印中使用的光敏樹脂以自由基聚合體系為，鋁合金密度低，耐腐蝕性能好。
抗疲勞性能較高，且具有較高的比強(qiáng)度、比剛度，是一類理想的輕量化材料，3D 打印中使用的鋁合金為鑄造鋁合金，常用牌號(hào)有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlS，韓國(guó)通信衛(wèi)星Koreasat-5A及Koreasa。
不僅由原來的多個(gè)零件合成一個(gè)整體制造，零件重量比原設(shè)計(jì)降低22%，制造成本降低30%，生產(chǎn)周期縮短1—2個(gè)月，為了滿足3D 打印的工藝需求，金屬粉末必須滿足一定的要求，粉末的流動(dòng)性是粉末的重要特性之一。
所有使用金屬粉末作為耗材的3D打印工藝在制造過程中，金屬粉末的流動(dòng)性直接影響到SLM、EBM 中的鋪粉，若流動(dòng)性太差會(huì)造成打印精度降低甚至打印失敗，粉末的流動(dòng)性受粉末粒徑、粒徑分布、粉末形狀、所吸收，一般為了保證粉末的流動(dòng)性。
要求粉末是球形或近球形，粒徑在十幾微米到一百微米之間，過小的粒徑容易造成粉體的團(tuán)聚，而過大的粒徑會(huì)導(dǎo)致打印精度的降低，此外，為了獲得更致密的零件，一般希望粉體的松裝密度越高越好，采用級(jí)配粉末比采用單一粒徑分布的粉末更容易獲得高的。
目前3D打印所使用的金屬粉末的制備方法主要是霧化法，霧化法主要包括水霧化法和氣霧化法兩種，氣霧化制備的粉末相比于水霧化粉末純度高、氧含量低、，是高性能及特種合金粉末制備技術(shù)的主要發(fā)展方向，PCL 是一種無毒、低熔點(diǎn)的熱塑性塑料，PCL絲材主要作為兒童使用的3D打印筆的耗材。
因成形溫度較低(80~100°C)而有較高的安全性，值得一提的是，PCL具有優(yōu)異的生物相容性和降解性，可以作為生物醫(yī)療中組織工程支架的材料，通過摻雜納米羥基磷灰石等材料還能夠改善力學(xué)性能及生。
此外PCL 材料還具有一定的形狀記憶效應(yīng)，在4D打印方面有一定的潛力，圖4 通訊衛(wèi)星上使用的3D打印輕量化構(gòu)件，鈦及鈦合金以其顯著的比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕、生，成為醫(yī)療器械、化工設(shè)備、航空航天及運(yùn)動(dòng)器材等領(lǐng)域的，然而鈦合金屬于典型的難加工材料。
加工時(shí)應(yīng)力大、溫度高，刀具磨損嚴(yán)重，限制了鈦合金的廣泛應(yīng)用，而3D打印技術(shù)特別適合鈦及鈦合金的制造，一是3D打印時(shí)處于保護(hù)氣氛環(huán)境中，鈦不易與氧、氮等元素發(fā)生反應(yīng)，微區(qū)局部的快速加熱冷卻也限制了合金元素的揮發(fā)。
二是無需切削加工便能制造復(fù)雜的形狀，且基于粉材或絲材材料利用率高，不會(huì)造成原材料的浪費(fèi)，大大降低了制造成本，目前3D打印鈦及鈦合金的種類有純Ti、Ti6A14，可廣泛應(yīng)用于航空航天零件(圖3)及人工植入體(如骨。
牙齒等)，DIW和SLA技術(shù)所使用的材料多為聚合物陶瓷前驅(qū)體，在成形后利用裂解反應(yīng)得到目標(biāo)陶瓷，陶瓷前驅(qū)體的常用類型有聚碳硅烷、聚硅氮烷、聚硼氮烷，相應(yīng)裂解產(chǎn)物為碳化硅、氮化硅(碳氮化硅)、氮化硼和，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室通過SLA技術(shù)成形出復(fù)雜結(jié)構(gòu)的前驅(qū)，熱解后得到強(qiáng)度及耐熱性能優(yōu)異的SiOC 陶瓷(圖8，香港城市大學(xué)呂堅(jiān)教授團(tuán)隊(duì)采用彈性硅橡膠(PDMS)。
采用DIW技術(shù)成形后得到具有彈性的陶瓷前驅(qū)體，該前驅(qū)體能夠在經(jīng)過設(shè)計(jì)的受力方式下產(chǎn)生預(yù)期的變形，再經(jīng)過高溫裂解后得到SiOC 陶瓷制品(圖9)，在全球首次實(shí)現(xiàn)了陶瓷的4D打印，PLA 和ABS 是FDM 最常用的耗材，因價(jià)格便宜而十分普及，ABS 是常見的工程塑料，具有較好的機(jī)械性能。
但3D 打印條件要求苛刻，在打印過程中容易產(chǎn)生翹曲變形，且易產(chǎn)生刺激性氣味，PLA 是可降解的環(huán)保塑料，打印性能較好，是一種較為理想的3D 打印熱塑性聚合物。
已廣泛應(yīng)用于教育、醫(yī)療、建筑、模具設(shè)計(jì)等行業(yè)，此外，PLA 還具有良好的生物相容性，加入羥基磷灰石改性的PLA可用于組織工程支架的制造，傳統(tǒng)的水凝膠已經(jīng)在制造隱形眼鏡、創(chuàng)傷修復(fù)中取得了較。
水凝膠作為組織工程的理想材料，在該領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，除此之外，水凝膠還可以作為傳感器的材料，這是利用了它的膨脹行為和擴(kuò)散系數(shù)隨著周圍環(huán)境變化的，傳統(tǒng)水凝膠成形主要依靠模具，無法制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
采用3D 打印技術(shù)成形水凝膠，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜形狀的制造，還能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜孔隙甚至梯度結(jié)構(gòu)的制造，使得3D打印的水凝膠具有傳統(tǒng)制造方式無法獲得的性能，此外，水凝膠中可以加入活細(xì)胞，使得3D打印人體器官成為可能。
3D 打印技術(shù)最早應(yīng)用于各類原型的快速制造，故在早期也被稱為快速原型技術(shù)(Rapid Prot，RP)，早期的3D打印技術(shù)由于材料種類的限制，大多使用有機(jī)高分子材料，其機(jī)械、化學(xué)性能大多難以滿足實(shí)際應(yīng)用的需求，隨著材料技術(shù)與裝備技術(shù)的發(fā)展。
將該技術(shù)應(yīng)用于終端零件制造的愿望越來越迫切，因此不僅對(duì)3D打印裝備提出了更高的要求，對(duì)3D打印材料各項(xiàng)性能的要求也日益提高，鈷基合金也可作為高溫合金使用，但因資源缺乏，發(fā)展受限，由于鈷基合金具有比鈦合金更良好的生物相容性，目前多作為醫(yī)用材料使用。
用于牙科植入體和骨科植入體的制造，目前常用的3D 打印鈷基合金牌號(hào)有Co 212、C，3D 打印所使用的金屬絲材與傳統(tǒng)的焊絲相同，理論上凡能在工藝條件下熔化的金屬都可作為3D 打印，絲材制造的工藝很成熟，材料成本相比粉材要低很多。
TPU 是一種具有良好彈性的熱塑性聚合物，其硬度范圍寬且可調(diào)，有一定的耐磨性、耐油性，適用于鞋材、個(gè)人消費(fèi)品、工業(yè)零件等的制造，結(jié)合3D打印技術(shù)可以制造出傳統(tǒng)成形工藝難以制造的復(fù)，使得制件擁有獨(dú)特且可調(diào)控的力學(xué)性能，采用SLS 工藝打印的多孔結(jié)構(gòu)TPU鞋墊的彈性性能。
圖7 SLA技術(shù)制備透明石英玻璃流程圖，傳統(tǒng)陶瓷可以定義為組成硅酸鹽工業(yè)的那些陶瓷制品，主要包括粘土、水泥及硅酸鹽玻璃等，傳統(tǒng)陶瓷的原料多為天然的礦物原料，分布廣泛且價(jià)格低廉。
適合于日用陶瓷、衛(wèi)生陶瓷、耐火材料、磨料、建筑材料，傳統(tǒng)陶瓷的成形大多需要模具，將3D打印工藝應(yīng)用于陶瓷或玻璃制品的制造中，可以實(shí)現(xiàn)陶瓷制品的定制化，提高附加值，并有可能賦予其獨(dú)特的藝術(shù)價(jià)值，3D打印用光敏樹脂主要采用的是自由基聚合的丙烯酸酯，商業(yè)化的丙烯酸酯有多種類型。
需要根據(jù)不同的需求對(duì)配方進(jìn)行調(diào)整，總體而言，3D 打印用的光敏樹脂有以下幾點(diǎn)要求：(1)固化前，一般要求可見光照射下不發(fā)生固化，(2)反應(yīng)速度快，更高的反應(yīng)速率可以實(shí)現(xiàn)高效率成形。
(3)粘度適中，以匹配光固化成形裝備的再涂層要求，(4)固化收縮小，以減少成形時(shí)的變形及內(nèi)應(yīng)力，(5)固化后具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性。
(6)毒性及刺激性小，以減少對(duì)環(huán)境及人體的傷害，圖2 模具隨型冷卻流道示意圖，3D 打印材料是3D 打印技術(shù)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，它的性能在很大程度上決定了成形零件的綜合性能，發(fā)展至今，其材料種類已經(jīng)十分豐富，主要種類包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料等。
本文將結(jié)合幾種3D打印材料研究及應(yīng)用的最新進(jìn)展，分別對(duì)3D打印用聚合物材料、金屬材料和陶瓷材料進(jìn)行，玻璃是一種非晶態(tài)材料，其成形方式與陶瓷材料不同，由于玻璃在成形時(shí)處于熔融態(tài)。
通常以吹制、壓制、拉制、輥壓或鑄造等方式進(jìn)行成形，較為成功的玻璃3D打印工藝是FDM工藝，打印時(shí)熔融玻璃儲(chǔ)存在高溫坩堝中，通過擠出頭擠出冷凝成形，該工藝可以實(shí)現(xiàn)透光性良好的玻璃制品，但由于目前玻璃打印的條件較為苛刻。
尚未獲得普及，鐵基合金是3D 打印金屬材料中研究較早、較深入的一，較常用的鐵基合金有工具鋼、316L 不銹鋼、M2 ，鐵基合金使用成本較低、硬度高、韌性好，同時(shí)具有良好的機(jī)械加工性，特別適合于模具制造，3D打印隨形水道模具是鐵基合金的一大應(yīng)用，傳統(tǒng)工藝異形水道難以加工。
而3D打印可以控制冷卻流道的布置與型腔的幾何形狀基，能提升溫度場(chǎng)的均勻性，有效降低產(chǎn)品缺陷并提高模具壽命，形狀記憶合金(Shape Memory Alloy，SMA)是一類形狀記憶材料，具有在受到某些刺激(如熱、機(jī)械或磁性變化)時(shí)“記憶，SMA在機(jī)器人、汽車、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域有著。
NiTi 合金是目前發(fā)展比較成熟的SMA，但NiTi 合金是難加工材料，將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于SMA 零件的制造，不僅有望解決SMA的加工難題，還能實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的制造，近年來有不少學(xué)者對(duì)NiTi 合金的SLM工藝進(jìn)行了，目前。
SLM打印的NiTi 合金零件已經(jīng)顯示出良好的形狀，在8 次壓縮循環(huán)后具有約5％的可恢復(fù)應(yīng)變，此外，SLM成形的NiTi 樣品的形狀記憶行為與時(shí)效工藝，經(jīng)350°C—18 h 時(shí)效的樣品展現(xiàn)出了幾乎完美，基于粉體的3DP和SLS 利用液態(tài)或低熔點(diǎn)有機(jī)粘結(jié)。
由于得到素坯致密度較低，在燒結(jié)過程中難以實(shí)現(xiàn)完全的致密化，多用于成形多孔陶瓷，SLS 與等靜壓技術(shù)結(jié)合的工藝和基于漿料的SLS ，實(shí)現(xiàn)致密氧化物陶瓷的制造，圖5 NASA ACME計(jì)劃：太空3D打印建筑物假。
摘要 3D打印材料是3D打印技術(shù)重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，種類范圍主要包括聚合物材料、金屬材料、陶瓷材料等，文章首先簡(jiǎn)要介紹了目前3D打印的各類常見材料，然后分別介紹了它們的特點(diǎn)、性能要求及相關(guān)應(yīng)用情況，最后，結(jié)合研究的最新進(jìn)展，對(duì)3D打印新材料及其前景進(jìn)行展望，PA是一種半晶態(tài)聚合物。
經(jīng)SLS成形后能得到高致密度且高強(qiáng)度的零件，是SLS 的主要耗材之一，SLS中所使用的PA需具有較高的球形度及粒徑均勻性，通常采用低溫粉碎法制備得到，通過加入玻璃微珠、粘土、鋁粉、碳纖維等無機(jī)材料可制，這些無機(jī)填料的加入能顯著提高某些方面的性能。
如強(qiáng)度、耐熱性能、導(dǎo)電性等，以滿足不同領(lǐng)域的應(yīng)用需求，3D 打印金屬材料主要有粉末形式和絲材形式，粉末材料是最常用的材料，可用于激光選區(qū)熔化(Selective Laser，SLM)、激光近凈成形(Laser Enginee。
LENS)、電子束選區(qū)熔化(Electron Be，EBM)等多種3D打印工藝，絲材則適合于電弧增材制造(Wire and Arc，WAAM)等工藝，陶瓷材料是人類使用的最古老的材料之一，但在3D打印領(lǐng)域?qū)儆诒容^“年輕”的材料，這是因?yàn)樘沾刹牧洗蠖嗳埸c(diǎn)很高甚至無熔點(diǎn)(如SiC、，難以利用外部能場(chǎng)進(jìn)行直接成形。
大多需要在成形后進(jìn)行再處理(烘干、燒結(jié)等)才能獲得，這便限制了陶瓷材料3D打印的推廣，然而其有硬度高、耐高溫、物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等聚合物和，在航天航空、電子、汽車、能源、生物醫(yī)療等行業(yè)有廣泛，作為一種無須模具的成形方式，3D打印比傳統(tǒng)的成形方式有更高的結(jié)構(gòu)靈活性，有利于陶瓷的定制化制造或提高陶瓷零件的性能。
下面分別以傳統(tǒng)陶瓷和先進(jìn)陶瓷介紹3D打印中的陶瓷材，覆膜砂是鑄造產(chǎn)業(yè)中常用的造型材料，但傳統(tǒng)的覆膜砂需要借助模具進(jìn)行成形，模具的形狀復(fù)雜程度有限且生產(chǎn)成本高，不適合小批量鑄件的生產(chǎn)，3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鑄型(芯)的整體制造。
省去了傳統(tǒng)鑄型(芯)多塊拼接的過程，節(jié)約時(shí)間成本的同時(shí)，提高了鑄件精度，熱塑性聚合物是最常見的3D 打印材料之一，常見的3D打印用熱塑性聚合物有丙烯腈-丁二烯- 苯。
3D 打印材料發(fā)展至今，經(jīng)歷了從聚合物材料、金屬材料到陶瓷材料的發(fā)展過程，目前每個(gè)領(lǐng)域仍不斷有新材料出現(xiàn)，體現(xiàn)了3D打印技術(shù)的活力，盡管目前3D打印材料的類別已經(jīng)涉及大部分材料體系，但能夠成功應(yīng)用于3D打印的材料與現(xiàn)在龐大的材料體系。
面對(duì)未來3D打印結(jié)構(gòu)功能一體化的發(fā)展趨勢(shì)，需要在3D打印新材料、3D打印新技術(shù)和3D打印新裝，除了3D打印新材料的開發(fā)外，3D打印材料的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化也是3D打印材料發(fā)展所，隨著3D打印材料、工藝、裝備的持續(xù)發(fā)展，3D 打印技術(shù)將更有力地支撐我國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)的步。
按照材料種類劃分，3D打印金屬材料可以分為鐵基合金、鈦及鈦基合金、鎳，DIW 使用的耗材為適合于擠出的陶瓷膏體，多用于羥基磷灰石、磷酸鈣、生物玻璃等生物陶瓷的組織，將經(jīng)過親水處理的納米石英粉末、四乙二醇二甲醚和PD。
通過DIW 打印、干燥和燒結(jié)后，可制造出高透明度的石英玻璃(圖6)，陶瓷的SLA技術(shù)最早是從陶瓷的流延成形和凝膠注模技，制件精度高、表面質(zhì)量和性能好，是目前3D打印技術(shù)中發(fā)展和推廣最快的技術(shù)，一些公司已經(jīng)推出了商業(yè)化的3D打印設(shè)備及配套耗材。
SLA 陶瓷材料以高固含量陶瓷光敏漿料/膏體為主，常用材料有氧化硅、氧化鋁、氧化鋯、羥基磷灰石、磷酸，雖然適用于SLA的氧化物陶瓷種類比較豐富，但如何使用SLA技術(shù)制造出復(fù)雜形狀的透明陶瓷一直是，德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院以高純度納米熔融石英和光敏樹。
利用SLA 技術(shù)制造出素坯，經(jīng)過1300°C燒結(jié)制得具有高透光性的透明熔融石英，氧化物陶瓷物理化學(xué)性能穩(wěn)定，燒結(jié)工藝比較簡(jiǎn)單，是陶瓷3D打印研究最多的材料，適用氧化物陶瓷的3D 打印工藝種類也最多，3DP、SLS、FDM、DIW、SLA、SLM、L，其他金屬材料如銅合金、鎂合金、貴金屬等需求量不及以。
但也有其相應(yīng)的應(yīng)用前景，銅合金的導(dǎo)熱性能良好，可以制造模具的鑲塊或火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室，NASA采用3D打印技術(shù)制造了由GRCop-84 ，內(nèi)壁采用SLM工藝制造。
再以電子束熔絲沉積完成外壁的制造，該燃燒室經(jīng)過全功率點(diǎn)火測(cè)試后，仍然保持良好的形狀，證明了3D打印工藝在節(jié)約大量時(shí)間和工藝成本的基礎(chǔ)上，取得了與傳統(tǒng)工藝同樣的效果，鎂合金是目前實(shí)際應(yīng)用中最輕的金屬。
且具有良好的生物相容性和可降解性，其楊氏模量與人體骨骼也最為接近，可作為輕量化材料或植入物材料，但目前鎂合金3D打印工藝尚不成熟，沒有進(jìn)行大范圍的推廣。
貴金屬如金、銀、鉑等多應(yīng)用于珠寶首飾等奢侈品的定制，應(yīng)用范圍比較有限，F(xiàn)DM的耗材是陶瓷粉體與熱塑性高分子混合制得的絲材，一般固含量在50 vol%以上，但因制絲成本高、制件精度低等原因，F(xiàn)DM工藝很少使用，根據(jù)3D 打印方法的不同。
要求材料的形態(tài)也有所不同，熔融沉積成形(Fused Deposition M，F(xiàn)DM)使用的是絲材，激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Si，SLS)則使用的是粉材。
由于工業(yè)上常用的聚合物原料大多以顆粒為主，制成絲材或粉材都要進(jìn)行二次加工，提高了3D打印耗材的使用成本，目前也有一些單位開始研發(fā)以顆粒為原料的3D打印裝備，下面對(duì)幾種有代表性的材料進(jìn)行介紹，將上述擠出3D 打印設(shè)備進(jìn)行放大，便可采用混凝土作為耗材進(jìn)行房屋建筑的3D打印，為保證3D打印建筑的順利實(shí)施。
3D打印中所使用的混凝土材料比傳統(tǒng)混凝土要求更高，如傳輸和擠出過程中要有足夠的流動(dòng)性，擠出之后要有足夠的穩(wěn)定性，硬化后要有足夠的強(qiáng)度、剛度和耐久性等，3D 打印混凝土不僅可以應(yīng)用于非線性、自由曲面等復(fù)，在未來空間探索中有望就地采用資源進(jìn)行基地的建造 (，高嶺土、堇青石等作為原料的多孔或蜂窩陶瓷常用作催化。
采用SLS或三維噴印(Three-Dimensio，3DP)成形出宏觀復(fù)雜孔道，利用造孔劑進(jìn)一步獲得微觀多孔結(jié)構(gòu)，可以獲得兼具宏觀及微觀孔隙結(jié)構(gòu)的多孔陶瓷，SLS 和3DP 均以粉體作為原材料，要求陶瓷粉末的流動(dòng)性良好。
3DP用粉末可以采用噴霧造粒得到，SLS 粉末因需加入低熔點(diǎn)粘結(jié)劑，可采用機(jī)械混合法或覆膜法進(jìn)行制備，3D打印用聚合物材料主要包括光敏樹脂、熱塑性塑料及，紙張、淀粉、糖、巧克力等也可納入聚合物材料的范疇，部分學(xué)者及企業(yè)對(duì)其進(jìn)行了3D打印研究。
但因篇幅所限文中不進(jìn)行展開介紹，圖8 SLA制備SiOC前驅(qū)體陶瓷流程圖，圖9 4D打印的彈性前驅(qū)體衍生陶瓷折紙結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵詞 3D打印，聚合物。
金屬，陶瓷，光敏樹脂是最早應(yīng)用于3D打印的材料之一，適用于光固化成形(Stereolithograph，SLA)，主要成分是能發(fā)生聚合反應(yīng)的小分子樹脂(預(yù)聚體、單體，其中添加有光引發(fā)劑、阻聚劑、流平劑等助劑，能夠在特定的光照(一般為紫外光)下發(fā)生聚合反應(yīng)實(shí)現(xiàn)。
光敏樹脂并不算一種新的材料，與其原理類似的光刻膠、光固化涂料、光固化油墨等已經(jīng)，在涂料領(lǐng)域，光固化技術(shù)因具有固化速度快、固化性能優(yōu)異、少污染、，但應(yīng)用于3D打印的樹脂固化厚度(一般>25 μm)，其在配方組成上與傳統(tǒng)的光固化涂料、油墨等有所區(qū)別。
PEEK 是一種半晶態(tài)聚合物，具有高熔點(diǎn)(343°C)和優(yōu)異的力學(xué)性能，生物相容性也十分出色，是目前研究較熱的3D 打印材料，純PEEK 的楊氏模量為3.86±0.72 GPa。
經(jīng)碳纖維增強(qiáng)后可達(dá)21.1±2.3 GPa，與人骨的楊氏模量最為接近，可以有效避免植入人體后與人骨產(chǎn)生的應(yīng)力遮擋以及松動(dòng)，是一種理想的骨科植入物材料，采用3D 打印技術(shù)制造的PEEK 植入體(圖1)能，目前國(guó)內(nèi)3D打印PEEK植入物已經(jīng)在臨床上取得了較，直接SLS、SLM和LENS技術(shù)具有一些相同點(diǎn)，均是利用高能激光束燒結(jié)或熔化氧化物陶瓷粉末進(jìn)行成形。
但目前這些方法尚不成熟，存在熱應(yīng)力大、制件易產(chǎn)生缺陷、精度較低等問題。
Inconel718（GH4169／UNS N07718）是什么材質(zhì)
圖 17 是普通磨削時(shí)，磨削深度 ap=100 μm 和ap=50 μm ，磨削殘余應(yīng)力主要集中在表面很薄的一層(2 mm 之，且分布形態(tài)與溫度梯度分布一致，與大多數(shù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究結(jié)果相符，ap=100 μm。
表面最大拉應(yīng)力 σsurf≈350 MPa，拉應(yīng)力作用層深度 δ≈2 mm，ap=50 μm，σsurf≈80 MPa，δ≈0.5 mm，可見，普通磨削在表面形成較大的殘余拉應(yīng)力。
通過圖 12 所建立的復(fù)合磨削工藝試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了一系列磨削殘余應(yīng)力調(diào)控試驗(yàn)，磨削表面殘余應(yīng)力通過 XRD 高溫合金測(cè)量設(shè)備 X，沿磨削表面以下深度方向的殘應(yīng)力則通過線切割切塊、拋，圖 25 是 f=37.5 kHz。
v=5 mm/s 時(shí)，普通磨削和復(fù)合磨削工藝下的工件表面殘余應(yīng)力隨磨削深，可以看出，強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝的存在，比無感應(yīng)加熱的普通磨削下所獲得的表面殘余應(yīng)力都要低，且表面殘余應(yīng)力與磨削參數(shù)ap 呈遞增關(guān)系，感應(yīng)電流 I 增大 400 A，表面殘余應(yīng)力約降低80 MPa。
ap=10 μm時(shí)，I=800 A和I=1 200 A 均可獲得表面殘，如圖 24 中的有限元素真實(shí)調(diào)控結(jié)果相同，鎳基高溫合金 Inconel718 具有杰出的高溫，廣泛應(yīng)用于航空制作工業(yè)[1]，Inconel718 合金零件所占的重量比在 CF。
CY2000 發(fā)動(dòng)機(jī)中占 56%，PW4000 發(fā)動(dòng)機(jī) 中占 57%[2]，Inconel718 主要應(yīng)用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī) 渦，作業(yè)溫度為 550～650 ℃[2]，Inconel718 葉片的終究加工工藝通 常為磨。
而磨削往往會(huì)在外表構(gòu)成較大的殘余拉 應(yīng)力，因此會(huì)大幅降低零件的作業(yè)執(zhí)行功能，特別是 是疲勞強(qiáng)度和壽數(shù)[3-4]，(2) 選用實(shí)際工業(yè)中常用的 f，采用有限元仿真和試驗(yàn)標(biāo)定后的液氮表面冷卻 HTC，進(jìn)行了感應(yīng)電流 I 和速度 v 對(duì)最終殘余應(yīng)力的試。
f=37.5 kHz，v=5 mm/s，ap=10 μm 時(shí)，I =800 A 和I=1 200 A 均可獲得表，f=37.5 kHz，I=800 A，ap=10 μm 時(shí)。
v=10 mm/s 和 v=5 mm/s 均可獲得，(4) 為了獲取更多常用磨削深度范圍內(nèi)的表面殘余壓，繼續(xù)進(jìn)行了感應(yīng)電流 I 的試驗(yàn)和有限元仿真調(diào)控，I=1 200 A 試驗(yàn)條件下，ap≤30 μm的磨削參數(shù)范圍，均可獲得表面殘余壓應(yīng)力。
I=1 900 A 有限元仿真結(jié)果表明，ap≤40 μm 均可獲得表面殘余壓應(yīng)力，該結(jié)果為更大 ap 范圍內(nèi)磨削表面殘余壓應(yīng)力的調(diào)控，6 結(jié)論，N4 N6，采用 Johnson-Cook 模型來表征 Inc，數(shù)學(xué)模型如式(14)所示，該模型綜合考慮了熱場(chǎng)和塑形應(yīng)變過程中。
真實(shí)應(yīng)變、應(yīng)變率以及溫度等三個(gè)主要因素對(duì)流動(dòng)應(yīng)力的，表 1 是通過 Hopkinson 壓桿試驗(yàn)(SH，Inconel 718產(chǎn)品概述，本文的研究結(jié)果能夠?yàn)槟壳肮I(yè)中的高溫合金Incon，然后由于受到目前感應(yīng)加熱工藝的匹配限制，有必要繼續(xù)進(jìn)一步研究強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝的過程數(shù)精確控，此外，磨削前的感應(yīng)加熱和表面冷卻會(huì)對(duì)工件表面精度等產(chǎn)生影。
需要進(jìn)一步研究該復(fù)合磨削技術(shù)工藝對(duì)工件表面完整性的，Incoloy 825合金（UNS N08825），圖15 為試驗(yàn)條件 1(I=700 A，f=46.5 kHz)時(shí)，工縱面內(nèi)表面以下 1 mm 和 5 mm 處的預(yù)埋，圖 16 為試驗(yàn)參數(shù)為 2(I=500 A。
f=34 kHz)時(shí)，工件表面 1 mm 和3 mm 處的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)與，結(jié)果表明，有限元仿真溫度結(jié)果與試驗(yàn)具有相同的趨勢(shì)，且跟隨誤差也較小。
平均誤差均小于 15%，Monel 400，Monel K-500/，在實(shí)際感應(yīng)加熱工藝應(yīng)用中，中高頻在表面加熱工藝中應(yīng)用較廣，考慮到表面冷卻系數(shù) HTC 的復(fù)雜性，通過仿真結(jié)合試驗(yàn)的方法。
確定出一定壓力下的液氮冷卻能夠達(dá)到 HTC=10 ，且能夠幫助強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝實(shí)現(xiàn)工件外冷內(nèi)熱的溫度分，綜合考慮上述實(shí)際因素，本文首先固定f 和 HTC 進(jìn)行分析，圖 24 則是 f=37.5 kHz 和 HTC=，通過建立并求解殘余應(yīng)力響應(yīng)曲面控制模型得到的零應(yīng)力，臨界曲線的上部區(qū)域?yàn)闅堄鄳?yīng)力區(qū)。
下部區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力區(qū)，可以看出，隨著磨削深度增加，獲得零應(yīng)力值需要輸入的電流強(qiáng)度越大，使用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì) LAKESHORE-730T ，并擬合 B-H關(guān)系，回歸模型如式(11)和(12)[38]。
2 數(shù)值建模，因此，初步有限元仿真可行性研究表明，強(qiáng)化感應(yīng)加熱輔助磨削復(fù)合工藝能夠有效改善加工零件表，進(jìn)而提高零件的抗疲勞特性，然而，最終殘余應(yīng)力分布的有效調(diào)控與強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝參數(shù)以，需要建立復(fù)合工藝下的有限元集成數(shù)值分析模型。
并進(jìn)行殘余應(yīng)力的精確調(diào)控研究，強(qiáng)化感應(yīng)加熱過程是電-磁-熱場(chǎng)的耦合作用過程，如圖 5 所示，磁導(dǎo)率 μ 是電-磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換算法中的主要影響參數(shù)，比熱容 c 和熱傳導(dǎo)率 λ 是影響電磁-熱場(chǎng)分析中，而這些材料的特性參數(shù)均是非線性的。
與磁通量密度 B 和溫度 T 有關(guān)，式中，c 為材料比熱容，λ 為熱傳導(dǎo)系數(shù)，ρ 為材料密度，Qv 為電磁場(chǎng)渦流形成的熱場(chǎng)密度，可行性分析：。
圖 13 是強(qiáng)化感應(yīng)加熱工件表面及亞表層溫度采集系，工件表面溫度由紅外熱成像儀NEC R300W2-N，工件亞表層內(nèi)的溫度梯度度通過半自然熱電偶來測(cè)量，具體的排絲布置方法如圖 13b 所示，7、精密合金：。
強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝的平面分析系統(tǒng)如圖 7 所示，感應(yīng)加熱電源為感應(yīng)線圈提供輸入的具有一定強(qiáng)度 I ，由于電磁感應(yīng)現(xiàn)象，工件內(nèi)部由于渦流發(fā)熱，結(jié)合表面冷卻 HTC，最終移動(dòng)工件內(nèi)部可產(chǎn)生加熱工件的內(nèi)熱源，圖 8 是基于電磁熱分析軟件 Flux2D 建立的，該模型可以計(jì)算電-磁-熱耦合場(chǎng)。
獲取加熱工件的溫度場(chǎng)分布，全計(jì)算域內(nèi)共 20718個(gè)二階的面單元，51985 個(gè)求解節(jié)點(diǎn)，其中，壓縮空氣區(qū)域是動(dòng)態(tài)移動(dòng)仿真網(wǎng)格，采用了收斂性較好的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
線圈和工件的表面是計(jì)算過程溫度和電磁場(chǎng)量有較大變化，因此需要優(yōu)化劃分，網(wǎng)格采用 0.1 mm 的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，且 1 mm 內(nèi)有至少 10 層次嚴(yán)格，保證了結(jié)果的收斂性及計(jì)算準(zhǔn)確性。
其余部分的網(wǎng)格采用了三角形網(wǎng)格，電-磁場(chǎng)域由麥克斯韋方程組控制[33]，考慮材料連續(xù)方程后的計(jì)算控制方程如式(1)和(2)，A 和 φ 為方便計(jì)算而引入的中間量，其與電-磁場(chǎng)的主要場(chǎng)量關(guān)系如式(3)和(4)，1、因科洛伊合金材料：，圖6a是基于新型聚能器MPB-MFC的強(qiáng)化感應(yīng)加熱，因?yàn)楦袘?yīng)加熱工藝要與平面磨床相匹配合。
所以平面感應(yīng)線圈的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖所示，為了降低加熱損耗，線圈由紫銅制作，且內(nèi)部循環(huán)通入冷卻水，確保線圈在工藝系統(tǒng)運(yùn)行過程中始終接近常溫。
MPB-MFC 能夠有效聚集感應(yīng)線圈產(chǎn)生的空間磁力，使感應(yīng)加熱的能量幾乎全部集中于被加熱工件的表面(圖，加熱效率較高[30-32，36-37]，4、高溫合金材料：（GH）GH1131 GH416，熱成像計(jì)算域的溫度控制方程式(5)[33]。
Inconel718 的電阻率、電容、熱傳導(dǎo)率、熱，是熱場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)有限元計(jì)算的重要材料參數(shù)[1，2]，通過離散分析后導(dǎo)入圖 10 的殘余應(yīng)力仿真模型進(jìn)行，8、純鎳：，2.1 電磁-熱-應(yīng)力數(shù)學(xué)模型，依據(jù)國(guó)內(nèi)外一般的零件抗疲 勞功能要求，零件終究磨削殘余應(yīng)力在必定深度范 圍內(nèi)應(yīng)具有較小的。
且外表 最好是壓應(yīng)力，針對(duì)磨削區(qū)外表的過高溫度這一問題，目前所運(yùn)用的大多數(shù)方法都是通過選用較小的磨削用量、，這種做法會(huì)下降生產(chǎn)效率，且冷卻介質(zhì)假如不能有效下降溫度，零件外表依然不能確保 100%的剩余壓應(yīng)力分布，仍需要進(jìn)行后續(xù)噴丸等工藝處理。
而對(duì)工件磨削外表的噴丸處理通常會(huì)破壞工件外表，引起工件變形，增加零件加工時(shí)間以及本錢，極大地影響生產(chǎn)效率，4.2 殘余應(yīng)力場(chǎng)分布，3、哈氏合金材料（Hastelloy）：C-276，Inconel 625合金（UNS N06625）。
圖 18 河圖 19 分別為在強(qiáng)化感應(yīng)加熱輔助磨削，磨削深度 ap=50 μm 時(shí)工件的過程溫度度場(chǎng)分，圖 20是工件縱截面內(nèi)沿深度方向，普通磨削和復(fù)合工藝兩種情況下的溫度和殘余應(yīng)力對(duì)比結(jié)，可以看出，感應(yīng)加熱工藝的存在。
改變了磨削過程中磨削區(qū)溫度梯的分布(圖 18 河圖，使工件表面最終成形成了殘余壓應(yīng)力分布(圖 19 河，且壓應(yīng)力的作用深度約 1 mm，工件表面的殘余應(yīng)力從圖 17 中的 80 MPa ，降幅約150%，同時(shí)也能看出。
強(qiáng)化感應(yīng)加熱引入的內(nèi)部溫度會(huì)在工件內(nèi)部形成一個(gè)殘余，且波峰深度與內(nèi)熱源深度有關(guān)，Incoloy 800/800H/800HT合金（，磨削熱源作為工件殘余應(yīng)力計(jì)算的外加載荷施加到工件表，取 L=200 mm，待工件溫度最終恢復(fù)到室溫狀態(tài)時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)視為其最終，國(guó)內(nèi)外學(xué)者近二十年來對(duì)磨削熱模型進(jìn)行了大量數(shù)值仿真，公認(rèn)為三角形的磨削熱模型更能真實(shí)際反應(yīng)是磨削過程中。
本文建立的磨削三角形熱源模型如圖 11 所示[23，其中，Qw是磨削區(qū)傳入工件的熱流量，Lc 是磨削區(qū)長(zhǎng)度，三角形磨削熱源分布的函數(shù)為式(13)，其中 Lc取 2 mm。
本研究采用適用于中高頻感應(yīng)加熱的一種新型聚能器 M，其磁導(dǎo)率曲線如圖 9 所示，1J50 1J79 1J85 4J29 4J32 ，本次試驗(yàn)從下降磨削溫度梯度這一主意動(dòng)身，提出一種根據(jù)強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝輔佐磨削的復(fù)合工藝，并在前期研究了感應(yīng)加熱工藝的建模和工藝參數(shù)對(duì)加熱溫。
圖 1 是磨削溫度梯度的改善原理示意圖，經(jīng)過植入一個(gè)外加的熱源溫度曲線，實(shí)踐磨削過程的溫度梯度曲線將改變?yōu)槿鐖D所示的新工藝，磨削溫度梯度的下降將完成最終剩余應(yīng)力分布的改善，圖 2 是強(qiáng)化感應(yīng)加熱輔佐磨削調(diào)控剩余應(yīng)力的復(fù)合工，經(jīng)過強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝和表面冷卻裝置，將會(huì)在磨削工藝前植入一個(gè)圖 1 中的外加熱源，假設(shè)被加工零件是各向同性的均勻性分布材料。
則式(6)～(10)是殘余應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)學(xué)控制方程，一般情況下應(yīng)變的產(chǎn)生是機(jī)械、熱和相變?nèi)呔C合作用的，但 Inconel718 常溫基體組織為γ奧氏體，在磨削過程中不會(huì)產(chǎn)生由奧氏體向馬氏體的相變，因此，不考慮相變作用后，復(fù)合工藝下磨削時(shí)的總應(yīng)變?cè)隽?d? ij 由三部分。
分別為彈性應(yīng)變?cè)?量 d? ij e 、熱應(yīng)變?cè)隽?，如?7)～(9)所示，應(yīng)力計(jì)算增量方程公式(10)，4.1 強(qiáng)化感應(yīng)加熱溫度場(chǎng)分布，2、英科耐爾合金材料：，(1) 復(fù)合工藝的主要影響參數(shù)為感應(yīng)加熱電流強(qiáng)度 。
通過有限元數(shù)值計(jì)算，建立并求解殘余應(yīng)力 RSM 控制模型得到臨界電流強(qiáng)，該曲線能夠?yàn)樵囼?yàn)調(diào)控參數(shù)的匹配提供參考，可見，強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝引入的內(nèi)熱源是改變殘余應(yīng)力的關(guān)鍵因。
為了進(jìn)一步研究其對(duì)殘余應(yīng)力分布的影響，本文進(jìn)行了三個(gè)因素的單因素仿真試驗(yàn)分析，結(jié)果分別如圖 21～23 所示，圖 21 內(nèi)熱源強(qiáng)度(感應(yīng)加熱功率)影響結(jié)果看出，Qi 增大 1 000W/mm2，表面殘余應(yīng)力值降低 60 MPa。
圖 22 熱源植入深度從 2 mm 變化到 3 m，表面殘余應(yīng)力降低50 MPa，而從 3 mm 變化到 4 mm，降低約 25 MPa，這一結(jié)果與前面分析的磨削溫度結(jié)果其實(shí)相一致，磨削溫度梯度主要分布在表面區(qū)域。
所以沒有植入熱源的深度越深，對(duì)磨削溫度梯度的改善作用其實(shí)越弱，圖 23 移動(dòng)速度影響可以看出，速度越大，強(qiáng)化感應(yīng)加熱植入的熱源作用越微弱。
當(dāng)速度為 20 mm/s 時(shí)，殘余應(yīng)力分布形態(tài)與普通磨削相似，未得到有效改善，強(qiáng)化感應(yīng)加熱幾乎未來得及發(fā)揮作用，Inconel 718合金是含鎘、鉬的沉淀硬化型鎳，在700℃時(shí)具有高強(qiáng)度、良好的韌性以及在高低溫環(huán)境。
供貨狀態(tài)可以是固溶處理或沉淀硬化態(tài)，圖 27 河圖 28 分別是 f=37.5 kHz，v=5 mm/s，I=800 A 時(shí)，復(fù)合磨削工藝 ap=10 μm 和 ap=20 μ。
可以看出，ap=10 μm 和 ap=20 μm 時(shí)，沿磨削深度方向的殘余應(yīng)力分布趨勢(shì)相同，不同的是，在其他強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝參數(shù)和磨削為 f=37.5 ，v=5 mm/s，I=800 A 時(shí)，ap=10 μm 磨削深度能夠獲得表面約?40 M。
而 ap=20 μm 參數(shù)下獲得約 25 MPa ，綜上，通過有限元數(shù)值仿真的單因素分析以及考慮實(shí)際操控可行，主要選定的復(fù)合工藝調(diào)控參數(shù)為感應(yīng)線圈電流強(qiáng)度 I、，磨削深度一定。
移動(dòng)速度的增加，需要更高的線圈電流強(qiáng)度輸入，才能獲得理想的表面殘余壓應(yīng)力，從第 4.2 節(jié)奏的單因素分析可知，速度太高導(dǎo)致感應(yīng)加熱作用不明顯，所以本文僅做了最大速度 v=20 mm/s 的分析。
圖 24的臨界曲線能夠?yàn)楹罄m(xù)的殘余應(yīng)力試驗(yàn)參數(shù)的調(diào)，2.2 強(qiáng)化感應(yīng)加熱有限元模型，式中，J 為傳導(dǎo)電流密度，由電輸入?yún)?shù)的電流強(qiáng)度 I 和頻率 f 決定。
A 為磁矢量勢(shì)，μ 為電導(dǎo)率，φ為電標(biāo)量勢(shì)，q 為電荷密度，ε 為相對(duì)電介質(zhì)，t 為時(shí)間，5、耐腐蝕合金（NS）NS111。
NS112，NS113，NS131，NS141，NS142。
NS143，NS311，NS314，NS315，NS321，NS322，NS331，圖14 是表面施加 0.5 MPa 條件下。
強(qiáng)化感應(yīng)加熱有限元仿真某一瞬間的工件溫度場(chǎng)分布，溫度分布趨勢(shì)符合預(yù)期設(shè)想，如果表面繼續(xù)施加較大的冷卻卻系數(shù) HTC(液氮冷卻，則在圖示的溫度場(chǎng)基礎(chǔ)上會(huì)形成外冷內(nèi)熱的分布形態(tài)，為了驗(yàn)證本文所建立強(qiáng)感應(yīng)加熱工藝的有限元數(shù)值仿真模，進(jìn)行了兩組移動(dòng)狀態(tài)下強(qiáng)化感應(yīng)加熱的溫度試驗(yàn)正式試正，試驗(yàn)參數(shù)見表 2。
(3) 采用線切割切塊、拋光打磨后 XRD 測(cè)量的，這種分析截面內(nèi)殘余應(yīng)力分布的方法雖然引入操作誤差，但是仍然能夠反映出殘余應(yīng)力分布的趨勢(shì)，且趨勢(shì)與有限元分析結(jié)果及國(guó)內(nèi)外其他學(xué)者成果的趨勢(shì)相，f=37.5 kHz，v=5 mm/s。
I=800 A 時(shí)，ap=10 μm，表面殘余壓應(yīng)力約-40 MPa，ap=20 μm表面殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力，約 25 MPa，基于速度 v 的增高會(huì)降低殘余應(yīng)力的改善效果果然。
果然且為了獲得更多磨削深度范圍內(nèi)的表面殘余壓應(yīng)力分，本文繼續(xù)進(jìn)行了感應(yīng)電流 I 的試驗(yàn)和有限元仿真調(diào)控，如圖 29 所示，由于強(qiáng)化感應(yīng)加熱電源的試驗(yàn)條件所限，最大試驗(yàn)線圈感應(yīng)電流為1 200 A。
在 I=1200 A 試驗(yàn)條件下，ap≤30 μm 地磨削參數(shù)范圍，均可獲得表面殘余壓應(yīng)力，在 I=1 900A 時(shí)，有限元仿真結(jié)果表明，ap≤40 μm 均可獲得表面殘余壓應(yīng)力，所得結(jié)果如圖 24 的有限元調(diào)控結(jié)果果然，再次驗(yàn)證了調(diào)控方法的合理性。
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Stellite21，等材料，式中，σ 為應(yīng)力，ε 為真實(shí)應(yīng)變。
A、B、n 均為應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)，C 為應(yīng)變率強(qiáng)化系數(shù)，?? 為應(yīng)變率，ε0為參考應(yīng)變，T 為實(shí)時(shí)溫度，Tmelt 為了溶化溫度，Tref為室溫，圖 10 是基于 Abaqus 軟件建立的強(qiáng)化感應(yīng)。
有限元模型中工件網(wǎng)格采用感應(yīng)加熱一樣的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，共 6 400 個(gè)二階計(jì)算單元，如圖所示，面 1 被磨削夾具固定，面板 3 和面 4 定義為工件與軸圍著空氣進(jìn)行熱量，而強(qiáng)化感應(yīng)加熱植入的熱源以一定形態(tài)施加到工件內(nèi)部(，Inconel 600/601合金（UNS N06，9、司太立鈷基合金：（Stellite）。
圖 26 是 f=37.5 kHz，I=800 A 時(shí)，復(fù)合磨削工藝v=10 mm/s和v=5 mm/s下，可以看出，工件進(jìn)給速度 v 與工件表面殘余應(yīng)力呈正比，速度越高，越快得的表面殘余應(yīng)力越大，這一結(jié)果與前面有限元仿真分析的速度太高將會(huì)降低強(qiáng)化。
ap=10 μm 時(shí)，v=10 mm/s 和 v=5 mm/s均可獲得表，6、蒙乃爾合金（Monel），2.3 磨削熱應(yīng)力有限元模型，其中，塑形應(yīng)變?cè)隽康挠?jì)算考慮了 Von-Mises屈服準(zhǔn)，E 為材料彈性模量。
D 為應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系矩陣，與材料參數(shù)相關(guān)，v 為泊松比，α為熱膨脹系數(shù)，5 表面殘余應(yīng)力調(diào)控分析。
為了驗(yàn)證本文提出的強(qiáng)化感應(yīng)加熱輔佐磨削復(fù)合工藝的可，首要建立了植入內(nèi)熱源和磨削熱的簡(jiǎn)化有限元數(shù)值模型，并進(jìn)行了仿真分析，圖 3是復(fù)合工藝的進(jìn)程溫度場(chǎng)散布情況，能夠看出。
強(qiáng)化感應(yīng)加熱工藝在工件表層以下必定深度內(nèi)引進(jìn)熱源，然后改變了磨削進(jìn)程中的溫度場(chǎng)散布形狀，圖4a 和 4b 分別是一般磨削工藝及復(fù)合磨削工藝，植入的內(nèi)熱源使工件外表的剩余拉應(yīng)力改變?yōu)榱藟簯?yīng)力，且工件外表必定深度以內(nèi)均為剩余壓應(yīng)力的散布，4 仿真結(jié)果與分析。
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