中国首创用3D打印造飞机钛合金大型主承力构件

发布时间：2015-03-03 16:29:38

C-919风挡在高速飞行时要承受巨大动压，窗框由钛合金制成。

　　王华明，北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任、材料加工工程学科责任教授、“长江学者特聘教授”。开辟“快速凝固激光材料制备与成形” 研究新领域，建成先进的“激光材料加工制造技术实验室”，在先进材料快速凝固激光制备加工与成形制造领域取得多项原创性成果并在航空发动机及飞机上得到应 用。2000年来主持“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划课题”“教育部跨世纪优秀人才计划基金”、“总装武器装重点基金”、“国防基础科研 重点项目”等科研项目10余项，发表论文被SCI及EI收录137篇次、授权与申请发明专利7项、获得“北京市教学成果一等奖”及“国家教学成果二等 奖”。2013年入选国家“万人计划”第一批科技创新领军人才。

　　当前，“绿色浪潮”席卷全球，推行绿色制造技术，实现制造过程的环保、绿色化已是题中之义。而“增材制造”在这一浪潮的影响下受到日益广泛的关 注。北京航空航天大学的王华明教授及其带领的科研团队在大型钛合金结构件激光直接制造技术领域取得令人瞩目的成绩，并且在航空航天装备应用中取得了重要突 破。

　　从“减法”到“加法”

　　实现质的飞跃

　　高性能金属构件激光成形技术是以合金粉末为原料，通过激光熔化逐层堆积(生长)，从零件数模一步完成高性能大型复杂构件的“近净成形”。这一技 术1992年在美国首先提出并迅速发展。由于高性能金属构件激光成形技术对大型钛合金高性能结构件的短周期、低成本成形制造具有突出优势，在航空航天等装 备研制和生产中具有广阔的应用前景，受到政府和业界的高度关注。

　　在王华明教授看来，从传统的大型钛合金结构件制造方法，如整体锻造、切削技术，到这种新型的激光直接制造技术，实现了加工技术由“减法”到“加 法”的质的飞跃。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件，是一个做“减法”的过程。零件的加工除去量非常大。例如，美国的F-22飞机中尺寸最大的 Ti6Al4V钛合金整体加强框，所需毛坯模锻件重达 2796千克， 而实际成形零件重量不足144千克， 材料的利用率不到4. 90%，这势必造成大量的原材料损耗。与此同时，在铸造毛坯模锻件的过程中会消耗大量的能源，也降低了加工制造的效率。并且传统方法对制造技术及装备的要 求高，通常需要大规格锻坯加工及大型锻造模具制造、万吨级以上的重型液压锻造装备，制造工艺相当复杂，生产周期长、制造成本高。

　　相较于传统的大型钛合金结构件整体锻造，激光直接制造是一种做“加法”的加工技术，主要用高功率的激光束对粉末丝材进行熔化，往上堆积，实现材 料逐层添加，直接根据构件的CAD模型一次加工成形。激光直接制造得到的零件微观组织很细，力学性能很好，也可以实现多种材料铸造。综合来讲，这种技术的 优势主要表现为：无需大型锻造工业装备、大型锻造模具及锻坯制备加工；机械加工余量小、材料利用率高、生产周期短；加工过程实现结构件“近净成形”，只需 一步完成；加工设计灵活度高，可以实现特殊功能零部件的“原位”铸造；所制备的零件具有优异的综合力学性能，等等。这样就大大降低了制造成本，提高了制造 效率与加工质量。

　　王华明认为，大型钛合金结构件激光直接制造技术确实是一种带有变革性的，短流程、低成本的数字化制造技术，其被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。

　　“产学研”相结合

　　助力“近净成形”结构件飞上蓝天

　　正是大型钛合金结构件激光直接制造技术所具有的短流程、低成本的特性和广阔的应用前景，引起了国内的高度关注。从2001年起，我国钛合金结构 件激光快速成形技术的研究开始受到相关科技管理部门的高度重视，总装备部、国防科工局、国家自然科学基金委员会、国家“973”计划、国家“863”计划 等主要科技研究计划， 均将钛合金激光直接成形制造技术作为重点项目给予持续资助。在此背景下，王华明教授带领其科研团队以实现应用为目标，采用“产学研”相结合的方式，与沈阳 飞机设计研究所、第一飞机设计研究院等单位展开紧密合作，经过持续十几年的艰辛努力，在突破飞机钛合金小型次承力结构件激光快速成形及应用关键技术的基础 上，突破了飞机钛合金大型复杂整体主承力构件激光成形工艺、内部质量控制、成套装备研制、技术标准建立及应用关键技术，使我国成为迄今国际上唯一实现激光成形钛合金大型主承力关键构件在飞机上实际应用的国家。

　　“研”为“产”之体。技术的突破是实现成功应用的基础。零件“变形开裂”、“内部缺陷和内部组织” 控制是制约激光成形技术的瓶颈，王华明及其科研团队在解决制约激光成形技术的难题方面取得了可喜的成绩。在飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形工 艺研究、 工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性的进展，有效解决了激光快速成形钛合金大型整体主承力结构件“变形开裂”预防、“凝固组织和 内部缺陷”控制等问题。具体的技术突破包括以下几个方面：

　　王华明及其团队提出了原创性的“热应力离散控制”方法，为解决大型钛合金主承力结构件激光快速成形过程零件严重翘曲变形与开裂难题找到了一条新 路；其次，发明了激光快速成形双相钛合金“特种热处理”新工艺， 获得了综合力学性能优异的显微组织新形态，使激光快速成形钛合金的综合力学性能得到显著提高，为提高飞机等钛合金主承力构件的使用安全性和损伤容限性能找 到了一个新的解决方法；再次，突破了激光快速成形TA15钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或超过 钛合金模锻件水平。

　　“产”为“研”之用。实现成功应用是进行技术突破的目的。本着以这一目标信念，王华明教授及其科研团队在航空制造领域取得了突出的成绩。这些成 绩在一个个数字当中得到最生动的体现：2005年7月成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒、TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4种飞机钛合金 次承力结构件在 3 种飞机上的装机应用，零件材料利用率提高了5倍、周期缩短了2/3、成本降低了1/2以上；制造出了迄今世界尺寸最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形 工程化成套设备，其零件激光融化沉积真空腔尺寸达4000mm×3000mm×2000mm；2009年，王明华团队利用激光快速成形技术制造出我国自主 研发的大型客机C919的主风挡窗框，在此之前只有欧洲一家公司能够做，仅每件模具费就高达50万美元，而利用激光快速成形技术制作的零件成本不及模具的 1/10；2010年，利用激光直接制造C919达中央翼根肋，传统锻件毛坯重达1607千克，而利用激光成形技术制造的精坯重量仅为136千克，节省了 91.5%的材料，并且经过性能测试，其性能比传统锻件还要好。

　　这一系列成功的应用，实现了王华明教授让“近净成形”结构件飞上蓝天的梦想。

　　谈及大型钛合金结构件激光直接制造技术的发展前景，王华明既不失客观，又充满信心。他认为，目前制约大型钛合金结构件激光直接制造技术进一步发 展的主要问题，仍然是激光成形过程“内应力控制及零件变形开裂预防”、“内部质量保障及力学性能控制”、“技术标准体系”等瓶颈难题，这些难题的存在一方 面是由于该技术发展时间还不长，各方面研究工作仍处于探索阶段；另一方面，则是对于该技术关键性基础问题的研究和把握不够，包括，大型金属构件激光快速成 形过程内应力演化行为规律、内部组织形成规律和内部缺陷形成机理等。

　　只有夯实基础，才能稳步前进；惟有厘清大型钛合金结构件激光成形技术的内部机理，才能让“近净成形”结构件飞得更高！