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金属3D打印技术在轨道交通装备领域的应用研究现状

来源:城市轨道交通 作者:

金属3D打印被认为是整个3D打印体系中最具价值的技术,其技术难度大,但具备传统铸锻焊制造方法无法达到的轻量化、一体化、无模制造的优点。接下来,小编带您了解目前主流的金属3D打印技术研究进展及其在轨道交通装备零部件制造和修复中的应用研究现状!







金属3D打印技术现状和发展趋势




增材制造(又称“3D打印”)技术,是以数字模型为基础,将材料逐层堆积制造出实体物品的新兴制造技术,其能够为产品的快速研发迭代、复杂结构零部件的设计制造、产线的快速重构提供解决方案,被认为是未来制造业的技术制高点和发展增长点。国内外对增材制造技术开展了大量研究,并在航空航天、汽车、船舶、核电等制造企业实现了部分应用,在降低零部件重量和制造成本等方面取得了显著效果。

目前,金属材料仍然是大量工业关键零部件的首选材料,而由于强非平衡状态下复杂的合金相变和组织演化,造成其增材制造过程控制难度大。因此,金属增材制造技术被认为是整个增材制造体系中难度最大、最具价值的技术。

根据美国试验材料学会发布的ASTM F2792-12a标准,金属增材制造技术主要分为2类。一类是以粉末床方法(PBF)为技术原理(图1a)的选区激光熔化(SLM)和电子束选区熔化(EBSM)技术,其成型精度高,不受产品形状约束,但成型空间较小、效率较低,因此常用于仿生拓扑、流道、点阵等复杂结构小型零部件的成型。另一类是以直接能量沉积方法(DED)为技术原理(图1b)的激光近净成型(LENS)和丝材电弧成型(WAAM)技术。这种方法成型效率高,成型空间也不受限制,但由于成型精度较低、变形大,目前只能获得具有近净形状的毛坯件。



图1 2种不同的金属增材制造原理示意图



在这2类金属增材制造技术方面,国内外单位都开展了大量的基础研究和应用研究工作。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室通过SLM成型出了具有高强度和高延展性的奥氏体316L不锈钢,并将其归因于强非平衡状态下小熔池形成的胞状结构、小角度晶界以及多元位错的独特微观组织,这展示了增材制造在创造独特微观结构和高性能合金方面的潜力。而T. DebRoy和W. J. Sames等通过分析不锈钢增材制造过程中缺陷类型和形成机理给出了降低缺陷的工艺优化方法。Aref. Y等在金属增材制造样件的疲劳性能评价方面做了大量工作,并说明虽然目前金属增材制造样件的疲劳性能还略低于致密的锻造件,但通过控制缺陷和应力状态,能够获得较好的疲劳寿命,给出了未来金属增材制造应用需要突破的关键问题。而国内西北工业大学和北京航空航天大学等则重点对LENS制造工艺、力学性能及工程应用关键技术等方面进行了大量研究,并采用该技术制造了最大尺寸3m、重达196kg的飞机钛合金左上翼缘条和某军机大型钛合金主承力结构件,同时对包括疲劳性能在内的各项性能进行了评价和考核。

国外工业巨头GE和西门子则分别采用SLM技术开发了新型一体化结构的发动机燃油喷嘴和具有复杂冷却流道的高温合金涡轮叶片,前者已经批量生产了超过25000件,而后者在通过13000r/min和1250 ℃的模拟测试后也开始批量制造。

为了突破成型速率和成型尺寸限制,近年来,SLM技术在多激光束成型方面开展了大量研究工作,在多激光器协同控制、多重搭接区域组织/性能调控、大尺寸粉末床同步预热技术方面取得了一定突破。目前已经开发出激光器多达4个,尺寸最大可到800mm×400mm×500mm的SLM设备,为中大型复杂零部件的精密制造提供了解决方案。而LENS和WAAM技术研究目前更多地集中于变形和组织缺陷形成-演化-控制机理研究,以及力学性能和疲劳行为评价等方面,目的是进一步提升大型增材制造或修复零部件的力学性能和疲劳性能,并为其安全服役提供理论和数据支撑。

总体来看,目前金属制造技术发展迅速,具有巨大应用潜力,据权威技术咨询服务协会Wholers的预测,金属增材制造的市场份额在2020年将达到50%。2017年工信部发布了《国家增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,未来3年将进一步扩大增材制造技术在国内制造业中的应用,其中包括推进其在轨道交通装备领域的应用。







金属3D打印技术

在轨道交通领域的应用研究现状




相对航空航天等领域,目前金属增材制造技术在轨道交通装备领域的应用仍然处于前沿探索阶段,主要集中于轻量化结构零部件制造探索和损伤零部件增材修复研究2个方面。

2.1 在零部件制造中的应用研究
金属增材制造类似于微区熔池下的精密焊接,其在高密度热源下的快速熔化-凝固特点,使产品微观晶粒细小均匀、溶质偏析倾向小,能够获得超过锻造件力学性能并接近锻造件疲劳性能的金属零部件。同时,其制造过程无需开模,能够成型高复杂度结构,国内外轨道交通企业已开始认知到该技术的特殊优势并针对性开展了零部件应用探索。

早在2015年,德国联邦铁路(DB)就将金属增材制造技术应用于轨道交通装备的运营维护中,他们与西门子、Concept Laser、Materialize、EOS等企业合作研究改进零部件的设计,成型了具有内部中空结构的列车轴承盖,很大程度上提高了该部件的抗振动性能和耐磨性能。

法国阿尔斯通也在其全新的METROPOLIS地铁列车平台上采用增材制造技术设计和制造了不锈钢轨道列车转向架抗侧滚扭杆安装座,在进行拓扑优化重构设计的基础上,获得了轻量化仿生结构的安装座,在保证结构性能要求的情况下,较原有铸造件减重了70%。

国内中车株洲电力机车有限公司采用英国Renishaw的SLM设备成功成型了机车高压接地开关传动件(图2)。这种传动件最早采用316L不锈钢材质的传动杆与传动盘经铆接或电阻焊连接制成,结合部位强度低,经常由于扭转应力作用在服役过程中脱落。采用SLM技术一体化成形后,传动杆与传动盘冶金结合强度大大提高,抗压性能较原件提高了25%~75%,力学性能也优于不锈钢锻件水平,并且零件各方向上的尺寸精度均小于0.1 mm,满足使用要求。这说明金属增材制造技术在解决轨道交通异形件、复杂件以及连接件一体成型方面具有较大的应用潜力。


图2  SLM成型的机车高压接地开关传动件



2.2 在零部件修复中的应用研究
虽然通过金属增材制造技术,能够很大程度上成型出轻量化以及一体化结构的零部件,提高零部件性能,但作为一种新型的制造技术,金属增材制造仍然存在着成本高、效率低的缺点,因此在零部件制造中仍然存在着一定的限制。但金属增材制造在损伤零部件高性能修复中的应用却能够很大程度上提高零部件使用寿命,降低企业维修成本。

2013年澳大利亚RMIT大学针对车轴表面损伤开展了基于激光增材修复轴颈部位的研究。他们在实验室内对带缺口的棒状车轴试件进行修复,然后进行了试件的旋转疲劳实验(图3)。他们主要对商用420不锈钢和17CrMoV5两种粉末的修复性能进行了对比评价。旋转弯曲疲劳试验显示采用CrMoV成份修复件要优于商用的420不锈钢修复件,其中测试最优的疲劳性能也高于原始车轴试件,但由于缺陷控制问题导致疲劳数据分散性较大。


图3  RMIT大学旋转疲劳试验



英国焊接研究所(TWI)2017年与Tata Steel、LASE激光和Wall Colmonoy公司也联合进行了货车机车车轴的激光增材修复技术研究,旨在降低车轴的报废率并提高车轴的使用寿命,他们不再采用商用合金粉末,而是针对车轴基体,通过自主研发增材修复材料进行车轴修复,初步研究结果显示增材修复层具有比基材更为优异的力学性能。但也发现修复层中存在一定的冶金缺陷,如裂纹和未熔合(图4)。目前,他们正在进行修复材料和工艺参数优化工作,以便于技术的成熟和进一步的商业化应用。


图4  修复层冶金缺陷图



近年来,国内一些研究单位和机车修造厂也开始尝试用金属增材制造技术来修复车轴。李从辰、刘明磊等分别在EA4T车轴钢和42CrMo车轴钢上进行了Fe314合金和Ni30-WC 镍基合金的增材修复,修复层与基体形成了良好的冶金结合,屈服强度和抗拉强度均高于基体,但未做疲劳性能检测。

除了车轴增材修复,国内外对机车车轮踏面、轮缘、辐板,以及车钩、齿轮箱等均进行增材修复的探索性研究,取得了一定的成果,但大多仍处于实验室阶段,研究内容比较分散,选用的材料也主要是一些商用粉末材料,未考虑与基材以及配合面的关系。并且大多研究聚焦于用激光熔覆层恢复零件尺寸可能性以及熔覆层的宏观力学性能上,并未对修复零件的疲劳寿命数据和服役特性进行有针对性的评估,目前还较难得到末端用户的接受。




金属3D打印技术

在轨道交通领域的应用前景 



当前,为了满足轨道交通装备产品轻量化、定制化、个性化,以及制造过程绿色化、智能化、降本增效的需求。各轨道交通装备及零部件制造和维修企业已开始探索新的加工制造方法。而金属增材制造具备无模化制造、自由成型、全数字流制造的优势,能够很好地迎合未来轨道交通装备制造业的发展需求和趋势,具有很大的应用潜力。

尤其近年来轨道交通车辆对舒适性、轻量化的需求不断提升,越来越多的轨道交通装备企业采用新的拓扑优化技术对轨道交通装备零部件进行设计优化,但这些经过结构优化设计的零部件很难采用传统铸锻焊等工艺进行制造,因此大多仍然停留在设计阶段。而应用金属增材制造技术确能够非常容易地制造出这些复杂结构的零部件。欧洲Shift-to-rail组织已经启动了一项面向未来转向架技术的研究,其中金属增材技术作为最为重要的技术手段用于制造轻量化轴箱和刹车支架这样的零部件,以减少振动和噪音,提高铁路车辆的舒适性和可靠性。

但目前来说,该技术本身的深入研究尚在进行中,并且作为未全面推广的新兴制造技术,存在着一定的成本和效率问题。但随着对技术优势的更深入了解,以及原材料种类、设计拓扑优化、检测认证以及标准化体系的进一步成熟,未来金属增材制造技术将会成为轨道交通装备设计、开发、制造过程中的主要载体之一,来有效补充传统铸锻焊制造技术的发展瓶颈。




结 语



作为未来工业制造领域的核心工艺技术,金属增材制造已在众多工业领域开展了应用研究,在零部件产品的轻量化、高效化、绿色化、数字化制造方面取得了一定的效果。在轨道交通装备领域,国内外各装备制造企业结合金属增材制造的特点和各自现实需求,也开展了应用研究探索,验证了该技术在降低零部件重量,提升零部件质量以及零部件的高性能修复方面的优势。但目前,轨道交通装备及零部件制造企业对该技术的了解仍然不充分,但相信随着应用需求的逐渐挖掘以及技术本身的逐渐成熟,其在轨道交通装备领域的应用将更为广泛,成为实现轨道交通装备轻量化、绿色化、智能化的重要制造技术。




参考文献

祝弘滨,刘昱. 金属3D打印技术在轨道交通装备领域的应用研究现状[J].现代城市轨道交通,2019(10):77-81.