Quy trình sản xuất bồi đắp bằng phủ laser và lắng đọng năng lượng định hướng (DED/WAAM) cho cấu kiện kim loại kích thước lớn

Giới thiệu: Bài toán thực tế trong tạo hình cấu kiện kim loại kích thước lớn

Khi kích thước chi tiết vượt quá buồng tạo hình của thiết bị giường bột, thường ở cấp 250×250×300mm, hoặc khi khối lượng đơn chiếc, độ đặc chắc và yêu cầu cơ tính khiến công nghệ giường bột khó đáp ứng đồng thời, sản xuất bồi đắp cần một hướng đi khác. Các cấu kiện như vỏ động cơ hàng không vũ trụ, trục khuỷu tàu biển, insert khuôn cỡ lớn, thân van thiết bị năng lượng thường yêu cầu kích thước cấp mét hoặc khối lượng tạo hình gần thành phẩm ở cấp hàng chục kilogram, điều mà SLM truyền thống khó hoàn thành trong một lần. Lắng đọng năng lượng định hướng (DED) và sản xuất bồi đắp hồ quang (WAAM) ra đời chính cho các kịch bản kích thước lớn, tốc độ lắng đọng cao và có thể sửa chữa này, đóng vai trò bổ sung chứ không thay thế công nghệ giường bột.

1. Lắng đọng năng lượng định hướng và WAAM là gì

Lắng đọng năng lượng định hướng (Directed Energy Deposition, DED) là tên gọi chung cho nhóm công nghệ sử dụng nguồn nhiệt hội tụ đồng thời cấp bột kim loại hoặc dây kim loại, làm nóng chảy và bồi đắp từng lớp trên bề mặt nền. Trong đó, phủ laser (Laser Cladding) dùng laser làm nguồn nhiệt, cấp bột hoặc cấp dây, có vết chiếu tinh mịn và tỷ lệ pha loãng thấp; tạo hình tự do bằng chùm electron (EBF) được dùng trong môi trường chân không; còn WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) dùng hồ quang làm nguồn nhiệt và dây hàn làm vật liệu, tốc độ lắng đọng có thể đạt vài kilogram mỗi giờ. Cả ba đều thuộc nhóm “cấp vật liệu đồng bộ, bồi đắp từng lớp”, khác nhau ở nguồn nhiệt, dạng vật liệu và sự đánh đổi giữa độ chính xác với chi phí.

2. Nguyên lý công nghệ: Hai hướng bột và dây

DED dạng bột sử dụng khí mang để đưa bột kim loại chính xác vào vũng nóng chảy, hiệu suất sử dụng bột khoảng 40%–60%, phù hợp với tạo hình chính xác và cấu trúc vật liệu chuyển tiếp phức tạp; dạng dây, bao gồm WAAM, có hiệu suất sử dụng vật liệu đạt 85%–95%, chi phí thấp và hiệu suất cao, nhưng độ nhám bề mặt lớn hơn và cần nhiều gia công sau hơn. Khi nguồn nhiệt quét, vũng nóng chảy đông đặc nhanh trên nền, độ bền liên kết luyện kim giữa các lớp phụ thuộc vào nhiệt đầu vào và tỷ lệ chồng lấn. Kiểm soát chiều dày lớp, thường 0,5–2,0mm, tốc độ quét 300–1200mm/min và tốc độ cấp vật liệu là nền tảng để tạo hình ổn định.

3. Thông số công nghệ cốt lõi và cửa sổ chất lượng

Các thông số then chốt quyết định chất lượng DED/WAAM bao gồm: tốc độ lắng đọng, tỷ lệ pha loãng, nhiệt đầu vào (kJ/mm), nhiệt độ giữa các lớp và tỷ lệ chồng lấn. Tỷ lệ pha loãng quá cao sẽ làm loãng thành phần lớp phủ, giảm khả năng chống ăn mòn; quá thấp thì liên kết kém. Với các kim loại hoạt tính như hợp kim titan, siêu hợp kim nền niken, cần sử dụng bảo vệ bằng khí trơ, như argon với điểm sương thấp hơn -40℃, hoặc màn khí cục bộ để ngăn oxy hóa và nitrua hóa. Tính dị hướng là đặc trưng cố hữu của nhóm công nghệ này — chênh lệch về độ bền và độ giãn dài giữa hướng bồi đắp (Z) và hướng ngang có thể đạt 15%–30%, cần được bù trừ trong bố trí chi tiết và xử lý nhiệt tiếp theo.

4. Các kịch bản ứng dụng điển hình

Thứ nhất là sửa chữa và tái chế tạo: phủ bồi cùng vật liệu lên vùng mài mòn cục bộ của rotor, cánh, khuôn đắt tiền để khôi phục kích thước và tính năng, chi phí vật liệu chỉ bằng một phần nhỏ so với chi tiết mới; thứ hai là vật liệu chuyển tiếp: chuyển đổi thành phần liên tục trong cùng một cấu kiện, ví dụ từ nền niken sang nền coban, để đạt chức năng gradient; thứ ba là tạo hình gần thành phẩm kích thước lớn: dùng WAAM nhanh chóng bồi đắp phôi cấp mét, sau đó gia công tinh bằng CNC đến kích thước cuối, giảm đáng kể lượng rèn và lượng vật liệu bị loại bỏ. Điểm chung của các kịch bản này là “kích thước lớn, lô nhỏ, giá trị cao”, đúng với phạm vi kỹ thuật mà lantu3D bao phủ từ thiết kế đến bàn giao sản phẩm thực.

5. Tính bổ trợ với công nghệ giường bột và xử lý sau

Độ chính xác của DED/WAAM, cấp IT10–IT12, và chất lượng bề mặt, Ra từ hơn mười đến vài chục micromet, thấp hơn SLM, vì vậy thường được kết hợp với gia công cắt gọt để tạo thành sản xuất lai bồi đắp–loại bỏ vật liệu: trước tiên dùng DED tạo hình gần thành phẩm, sau đó CNC gia công tinh các bề mặt quan trọng. Các điểm chính của xử lý sau bao gồm: ủ khử ứng suất để giảm ứng suất dư giữa các lớp, ép đẳng tĩnh nóng (HIP) khi cần để loại bỏ rỗ khí bên trong, cũng như kiểm tra lấy mẫu bằng siêu âm hoặc CT công nghiệp. Với cấu kiện kim loại hoạt tính, còn cần kiểm tra thẩm thấu huỳnh quang hoặc kiểm tra bức xạ để xác nhận không có khuyết tật không ngấu. Chỉ khi đưa lựa chọn công nghệ, xử lý sau và kiểm tra vào cùng một chuỗi bàn giao mới có thể bảo đảm cấu kiện kích thước lớn đủ điều kiện xuất xưởng.

Kết luận

Sản xuất bồi đắp kim loại kích thước lớn không phải là sự thay thế cho giường bột, mà là phần mở rộng năng lực của nó. Phủ laser và WAAM, với các đặc điểm tốc độ lắng đọng cao, có thể sửa chữa và có thể tạo hình vật liệu chuyển tiếp, đã lấp đầy khoảng trống của SLM trong các kịch bản kích thước lớn và sửa chữa giá trị cao. Việc chọn hướng công nghệ nào phụ thuộc vào sự cân bằng giữa kích thước, vật liệu, độ chính xác và chi phí — chỉ khi hiểu rõ tỷ lệ pha loãng, nhiệt đầu vào và tính dị hướng, cấu kiện kích thước lớn mới vừa “bồi đắp được” vừa “sử dụng yên tâm”.