中國首創用3D打印造飛機鈦合金大型主承力構件
發布時間：2015-03-03 16:29:38
C-919風擋在高速飛行時要承受巨大動壓，窗框由鈦合金制成。王華明，北京航空航天大學材料學院材料加工工程系主任、材料加工工程學科責任教授、“長江學者特聘教授”。開辟“快速凝固激光材料制備與成形” 研究新領域，建成先進的“激光材料加工制造技術實驗室”，在先進材料快速凝固激光制備加工與成形制造領域取得多項原創性成果并在航空發動機及飛機上得到應 用。2000年來主持“國家自然科學基金重點項目”、“國家863計劃課題”“教育部跨世紀優秀人才計劃基金”、“總裝武器裝重點基金”、“國防基礎科研 重點項目”等科研項目10余項，發表論文被SCI及EI收錄137篇次、授權與申請發明專利7項、獲得“北京市教學成果一等獎”及“國家教學成果二等 獎”。2013年入選國家“萬人計劃”第一批科技創新領軍人才。
當前，“綠色浪潮”席卷全球，推行綠色制造技術，實現制造過程的環保、綠色化已是題中之義。而“增材制造”在這一浪潮的影響下受到日益廣泛的關 注。北京航空航天大學的王華明教授及其帶領的科研團隊在大型鈦合金結構件激光直接制造技術領域取得令人矚目的成績，并且在航空航天裝備應用中取得了重要突 破。
從“減法”到“加法”
實現質的飛躍
高性能金屬構件激光成形技術是以合金粉末為原料，通過激光熔化逐層堆積(生長)，從零件數模一步完成高性能大型復雜構件的“近凈成形”。這一技 術1992年在美國首先提出并迅速發展。由于高性能金屬構件激光成形技術對大型鈦合金高性能結構件的短周期、低成本成形制造具有突出優勢，在航空航天等裝 備研制和生產中具有廣闊的應用前景，受到政府和業界的高度關注。
在王華明教授看來，從傳統的大型鈦合金結構件制造方法，如整體鍛造、切削技術，到這種新型的激光直接制造技術，實現了加工技術由“減法”到“加 法”的質的飛躍。采用整體鍛造等傳統方法制造大型鈦合金結構件，是一個做“減法”的過程。零件的加工除去量非常大。例如，美國的F-22飛機中尺寸最大的 Ti6Al4V鈦合金整體加強框，所需毛坯模鍛件重達 2796千克， 而實際成形零件重量不足144千克， 材料的利用率不到4. 90%，這勢必造成大量的原材料損耗。與此同時，在鑄造毛坯模鍛件的過程中會消耗大量的能源，也降低了加工制造的效率。并且傳統方法對制造技術及裝備的要 求高，通常需要大規格鍛坯加工及大型鍛造模具制造、萬噸級以上的重型液壓鍛造裝備，制造工藝相當復雜，生產周期長、制造成本高。
相較于傳統的大型鈦合金結構件整體鍛造，激光直接制造是一種做“加法”的加工技術，主要用高功率的激光束對粉末絲材進行熔化，往上堆積，實現材 料逐層添加，直接根據構件的CAD模型一次加工成形。激光直接制造得到的零件微觀組織很細，力學性能很好，也可以實現多種材料鑄造。綜合來講，這種技術的 優勢主要表現為：無需大型鍛造工業裝備、大型鍛造模具及鍛坯制備加工；機械加工余量小、材料利用率高、生產周期短；加工過程實現結構件“近凈成形”，只需 一步完成；加工設計靈活度高，可以實現特殊功能零部件的“原位”鑄造；所制備的零件具有優異的綜合力學性能，等等。這樣就大大降低了制造成本，提高了制造 效率與加工質量。
王華明認為，大型鈦合金結構件激光直接制造技術確實是一種帶有變革性的，短流程、低成本的數字化制造技術，其被國內外公認為是對飛機、發動機、燃氣輪機等重大工業裝備研制與生產具有重要影響的核心關鍵制造技術之一。
“產學研”相結合
助力“近凈成形”結構件飛上藍天
正是大型鈦合金結構件激光直接制造技術所具有的短流程、低成本的特性和廣闊的應用前景，引起了國內的高度關注。從2001年起，我國鈦合金結構 件激光快速成形技術的研究開始受到相關科技管理部門的高度重視，總裝備部、國防科工局、國家自然科學基金委員會、國家“973”計劃、國家“863”計劃 等主要科技研究計劃， 均將鈦合金激光直接成形制造技術作為重點項目給予持續資助。在此背景下，王華明教授帶領其科研團隊以實現應用為目標，采用“產學研”相結合的方式，與沈陽 飛機設計研究所、第一飛機設計研究院等單位展開緊密合作，經過持續十幾年的艱辛努力，在突破飛機鈦合金小型次承力結構件激光快速成形及應用關鍵技術的基礎 上，突破了飛機鈦合金大型復雜整體主承力構件激光成形工藝、內部質量控制、成套裝備研制、技術標準建立及應用關鍵技術，使我國成為迄今國際上唯一實現激光成形鈦合金大型主承力關鍵構件在飛機上實際應用的國家。
“研”為“產”之體。技術的突破是實現成功應用的基礎。零件“變形開裂”、“內部缺陷和內部組織” 控制是制約激光成形技術的瓶頸，王華明及其科研團隊在解決制約激光成形技術的難題方面取得了可喜的成績。在飛機鈦合金大型整體主承力結構件激光快速成形工 藝研究、 工程化成套裝備研發與裝機應用關鍵技術攻關等方面取得了突破性的進展，有效解決了激光快速成形鈦合金大型整體主承力結構件“變形開裂”預防、“凝固組織和 內部缺陷”控制等問題。具體的技術突破包括以下幾個方面：
王華明及其團隊提出了原創性的“熱應力離散控制”方法，為解決大型鈦合金主承力結構件激光快速成形過程零件嚴重翹曲變形與開裂難題找到了一條新 路；其次，發明了激光快速成形雙相鈦合金“特種熱處理”新工藝， 獲得了綜合力學性能優異的顯微組織新形態，使激光快速成形鈦合金的綜合力學性能得到顯著提高，為提高飛機等鈦合金主承力構件的使用安全性和損傷容限性能找 到了一個新的解決方法；再次，突破了激光快速成形TA15鈦合金大型結構件內部缺陷和內部質量控制及其無損檢驗關鍵技術，飛機構件綜合力學性能達到或超過 鈦合金模鍛件水平。
“產”為“研”之用。實現成功應用是進行技術突破的目的。本著以這一目標信念，王華明教授及其科研團隊在航空制造領域取得了突出的成績。這些成 績在一個個數字當中得到最生動的體現：2005年7月成功實現激光快速成形TA15鈦合金飛機角盒、TC4鈦合金飛機座椅支座及腹鰭接頭等4種飛機鈦合金 次承力結構件在 3 種飛機上的裝機應用，零件材料利用率提高了5倍、周期縮短了2/3、成本降低了1/2以上；制造出了迄今世界尺寸最大的飛機鈦合金大型結構件激光快速成形 工程化成套設備，其零件激光融化沉積真空腔尺寸達4000mm×3000mm×2000mm；2009年，王明華團隊利用激光快速成形技術制造出我國自主 研發的大型客機C919的主風擋窗框，在此之前只有歐洲一家公司能夠做，僅每件模具費就高達50萬美元，而利用激光快速成形技術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達中央翼根肋，傳統鍛件毛坯重達1607千克，而利用激光成形技術制造的精坯重量僅為136千克，節省了 91.5%的材料，并且經過性能測試，其性能比傳統鍛件還要好。
這一系列成功的應用，實現了王華明教授讓“近凈成形”結構件飛上藍天的夢想。
談及大型鈦合金結構件激光直接制造技術的發展前景，王華明既不失客觀，又充滿信心。他認為，目前制約大型鈦合金結構件激光直接制造技術進一步發 展的主要問題，仍然是激光成形過程“內應力控制及零件變形開裂預防”、“內部質量保障及力學性能控制”、“技術標準體系”等瓶頸難題，這些難題的存在一方 面是由于該技術發展時間還不長，各方面研究工作仍處于探索階段；另一方面，則是對于該技術關鍵性基礎問題的研究和把握不夠，包括，大型金屬構件激光快速成 形過程內應力演化行為規律、內部組織形成規律和內部缺陷形成機理等。
只有夯實基礎，才能穩步前進；惟有厘清大型鈦合金結構件激光成形技術的內部機理，才能讓“近凈成形”結構件飛得更高！
