一、前言

　　鈦合金具有密度低、比強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性及高溫力學(xué)性能好等突出特點(diǎn)，在航空、航天、石化、船舶等工業(yè)裝備中用量越來(lái)越大而且主要被廣泛用作各種機(jī)身加強(qiáng)框、梁、接頭等飛機(jī)大型關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)件。以航空應(yīng)用為例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客機(jī)(B一787、A一380)中鈦合金用量已由第三代(B一747、A一300)的不到4%上升到9%以上，第三代殲擊機(jī)中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量由F-16的約3%增加到了F/A18-ElF、蘇-27的15%以上，而第四代殲擊機(jī)F一22中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量已占機(jī)身結(jié)構(gòu)總重量的41%，事實(shí)上，大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件用量的高低已成為衡量飛機(jī)等國(guó)防裝備技術(shù)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。 但是，由于受鈦合金本性的影響，采用“鍛造+機(jī)械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造這些大型復(fù)雜鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬(wàn)噸級(jí)以上重型液壓鍛造工業(yè)裝備，而且制造工序繁多、工藝復(fù)雜，需要大型鈦合金鑄錠真空熔鑄、大規(guī)格鍛坯制備、大型鍛造模具加工等，零件機(jī)械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5~10%)、數(shù)控加工時(shí)間長(zhǎng)、制造成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約了大型鈦合金結(jié)構(gòu)件在先進(jìn)工業(yè)及國(guó)防裝備中的廣泛應(yīng)用，大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件低成本、短周期成形制造技術(shù)，也是制約我國(guó)航空裝備研制與生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”之一!

　　高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術(shù)，利用快速原型制造(rapid prototype manufacturing，RPM)的基本原理，以金屬粉末(或絲材)為原材料，通過(guò)高能激光束對(duì)金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復(fù)雜金屬零件的“近終成形”制造(near-net-shape manufacturincl)，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化、短周期、低成本、先進(jìn)“近凈成形”制造新技術(shù)，在航空、航天等國(guó)防裝備研制與生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)制造技術(shù)(鍛壓+機(jī)械加工、鍛造+焊接等)相比，具有以下突出優(yōu)點(diǎn):

　　(1)高性能材料制備與復(fù)雜零件“近凈成形”制造一體化，無(wú)需零件毛坯制備和鍛壓模具加工、無(wú)需大型或超大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關(guān)配套設(shè)施;

　　(2)零件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、組織致密的獨(dú)特快速凝固組織，綜合力學(xué)性能優(yōu)異;

　　(3)零件的材料利用率高(可比鍛件提高5倍以上)、機(jī)加工量小、數(shù)控機(jī)加工時(shí)間短;

　　(4)制造成本低、生產(chǎn)制造周期短;

　　(5)工藝與設(shè)備簡(jiǎn)單、工序少而短、具有高度柔性與“超常”快速反應(yīng)能力:

　　(6)可以方便地實(shí)現(xiàn)包括W、Mo、Nb、Ta等各種難熔及Ti、Zr等各種高活性高性能金屬材料零件的材料制備和零件直接“近凈成形”;

　　(7)可根據(jù)零件的工作條件和性能要求，通過(guò)靈活改變局部激光熔化沉積材料的化學(xué)成分，實(shí)現(xiàn)多材料梯度復(fù)合高性能金屬的直接近凈成形制造;

　　(8)具有對(duì)構(gòu)件設(shè)計(jì)與批量變化的高度柔性與快速反應(yīng)能力。

　　激光快速成形技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，為克服大型鈦合金結(jié)構(gòu)件上述制造技術(shù)缺點(diǎn)提供了一條新途徑，也由于鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)對(duì)先進(jìn)國(guó)防裝備研制與生產(chǎn)的重要性和廣泛實(shí)用性，美國(guó)等西方工業(yè)及軍事強(qiáng)國(guó)對(duì)其十分重視，美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)計(jì)劃署(DARPA)及海軍辦公室(ONR)等部門，自1995年來(lái)先后實(shí)施一系列專門研究計(jì)劃，對(duì)飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)予了重點(diǎn)支持，研究與應(yīng)用進(jìn)展迅速。

二、飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)國(guó)外研究進(jìn)展

　　迄今為止，國(guó)外只有美國(guó)AeroMet公司(1998年MTS公司出資與賓州州立大學(xué)、約翰哈普金斯大學(xué)合作成立了專門從事飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造的高技術(shù)公司，該公司2005年1 2月已破產(chǎn)倒閉)，在2002~2005年期間實(shí)現(xiàn)了激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用。AeroMet公司在美國(guó)國(guó)防部“軍民兩用科技計(jì)劃”、美國(guó)空軍“鍛造計(jì)劃”、美國(guó)陸軍“滿特”計(jì)劃等計(jì)劃的資助下，同Boeinq、Lockheed-Martin公司等軍用飛機(jī)制造商密切合作，開展飛機(jī)機(jī)身鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)研究，2000年9月成功完成對(duì)激光成形鈦合金全尺寸飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的地面性能考核試驗(yàn)，構(gòu)件疲勞強(qiáng)度及靜強(qiáng)度達(dá)到了取代傳統(tǒng)鍛造及鑄造飛機(jī)鈦合金構(gòu)件的要求。

　　2001年起AeroMet公司開始小批量為波音公司生產(chǎn)F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機(jī)供應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁(圖1)、機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)折疊接頭、翼梁、帶筋壁板(圖2)及龍骨梁壁板(圖3)等機(jī)翼鈦合金非主承力結(jié)構(gòu)件。2002年制定出了激光快速成形Ti6A14V產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該公司從2002年開始直到2005年12月宣布破產(chǎn)倒閉為止，激光快速成形制造的Ti6A14V等飛機(jī)鈦合金構(gòu)件已在F-22、F/A18-ElF等飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用。

　　美國(guó)AeroMet公司是世界歷史上第一家掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并成功實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的單位，但令人遺憾的是。由于受其激光快速成形工藝固有缺點(diǎn)的影響，其激光快速成形Ti6A14V等鈦合金構(gòu)件即使經(jīng)過(guò)后續(xù)熱等靜壓(HIP)或開模鍛造(Open Die Forging)加工，零件材料的疲勞性能始終明顯低于鍛件水平(如圖4所示)，致使激光快速成形鈦合金構(gòu)件無(wú)法實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，限制了激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍并最終導(dǎo)致Ae roMet公司于2005年12月宣布破產(chǎn)倒閉。

三、飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

　　迄今國(guó)內(nèi)開展過(guò)鈦合金激光快速成形技術(shù)研究的單位只有北京有色金屬研究總院、西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等少數(shù)幾家單位，但除北航外，尚未實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。

　　北京航空航天大學(xué)激光材料成形與制備實(shí)驗(yàn)室，在國(guó)家自然科學(xué)基金“重點(diǎn)”項(xiàng)目及“杰出青年基金”項(xiàng)目、國(guó)家“973計(jì)劃”專題、國(guó)家“863計(jì)劃”重點(diǎn)項(xiàng)目等項(xiàng)目的重點(diǎn)支持下，與沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，白1998年以來(lái)一直致力于鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形工藝、成套工藝裝備及工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究。

　　“十五”期問(wèn)，自主研制成功國(guó)內(nèi)首套、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的“自由平面接觸/動(dòng)態(tài)密封/惰性氣氛保護(hù)”鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形成套工藝裝備系統(tǒng)。突破了飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝及裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，激光熔化沉積制造TC4、TAl5、BT22、TC2等鈦合金室溫及高溫拉伸、高溫持久、高溫蠕變、光滑疲勞、缺El疲勞等力學(xué)性能均顯著超過(guò)鍛件，2005年來(lái)激光快速成形TAl5、TC4等多種鈦合金結(jié)構(gòu)件，已實(shí)現(xiàn)在飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3、制造成本降低了1/2以上。

　　“十一五”期間，在飛機(jī)大型主承力鈦合金結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過(guò)程控制、長(zhǎng)期工藝穩(wěn)定性及構(gòu)件質(zhì)量保障等系列核心關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展:

　　1.研究出了大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形新工藝，解決了激光快速成形大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件變形與開裂的的“技術(shù)難題”。

　　2.提出并掌握了激光快速成形飛機(jī)大型整體鈦合金主承力構(gòu)件凝固組織晶粒形態(tài)及熱處理顯微組織主動(dòng)控制新方法。

　　3.認(rèn)識(shí)激光快速成形飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷形成機(jī)理并突破內(nèi)部缺陷與質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)。

　　4.突破了激光快速成形飛機(jī)鈦合金大型主承力整體結(jié)構(gòu)件組織和內(nèi)部質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)，激光快速成形大型整體鈦合金主承力構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到和超過(guò)鈦合金模鍛件，其中，缺口疲勞極限超過(guò)鈦合金模鍛件40%以上、高溫持久壽命較模鍛件提高400%以上。

　　5.成功激光快速成形制造出了零件單件重量逾110kq的多種鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件(部分樣件實(shí)物照片見圖5)及迄今國(guó)內(nèi)尺寸最大的大型整體鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件。

四、中國(guó)鈦合金3D打印后來(lái)居上

　　我國(guó)的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年美國(guó)解密其研發(fā)計(jì)劃3年才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國(guó)的學(xué)習(xí)，在全國(guó)多所大學(xué)和研究所設(shè)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。其中，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)取得的成就最為顯著。

　　早在2000年前后，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，在國(guó)家特別是軍方資金的持續(xù)支持下，經(jīng)過(guò)數(shù)年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)”、“熱應(yīng)力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長(zhǎng)控制”等多項(xiàng)世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸達(dá)到4m量級(jí)、性能滿足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品，具有了商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。 中國(guó)鈦合金3D打印機(jī)制造的大型承力零件 目前，我國(guó)已經(jīng)具備了使用激光成形超過(guò)12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)國(guó)產(chǎn)航空科研項(xiàng)目的原型和產(chǎn)品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造并且裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。

　　節(jié)約90%的材料和成本

　　在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國(guó)生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國(guó)航空研制的一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于鈦合金重量輕，強(qiáng)度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過(guò)20%。

　　傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無(wú)法加工成精細(xì)的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國(guó)F-22戰(zhàn)機(jī)的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費(fèi)嚴(yán)重，原料的95%都會(huì)被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴(yán)格的限制:3萬(wàn)噸大型水壓機(jī)只能鍛造不超過(guò)0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬(wàn)噸水壓機(jī)，鍛造的零件尺寸也不能超過(guò)4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無(wú)法制造復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會(huì)遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。 F-22的機(jī)身隔框就是由鈦合金鍛件加工而成

　　激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當(dāng)于材料成本1~2倍的加工費(fèi)用現(xiàn)在只需要原來(lái)的10%。加工1噸重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計(jì)，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬(wàn)元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬(wàn)元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。

　　更重要的是，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)建可以通過(guò)3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時(shí)，還大大提高了材料強(qiáng)度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國(guó)的3D打印技術(shù)制造，在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，重量最多可以減少40%。

　　下一代國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

　　在航空領(lǐng)域，中國(guó)激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

　　在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛運(yùn)用。通過(guò)這一技術(shù)，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機(jī)殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機(jī)的推重比;依托激光鈦合金成形造價(jià)低、速度快的特點(diǎn)，沈飛在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰(zhàn)斗機(jī)并且進(jìn)行試飛。 殲-16原型機(jī)的快速制造，很大程度上得益于鈦合金3D打印的低成本和便捷 憑借激光鈦合金成形技術(shù)，中國(guó)在航空材料科學(xué)領(lǐng)域第一次走在了世界先進(jìn)水平的前列，并為中國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

五、結(jié)束語(yǔ)

　　采用激光快速技術(shù)制造飛機(jī)大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件，具有無(wú)需大型鍛造裝備及大型鍛造模具，材料利用率高，加工量小，成本低，周期短，柔性高效等突出優(yōu)點(diǎn)，但激光快速成形過(guò)程中零件變形開裂預(yù)防、內(nèi)部質(zhì)量(內(nèi)部缺陷、晶粒及顯微組織等)及力學(xué)性能控制、工程化成套裝備與過(guò)程控制、應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等是制約飛機(jī)大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速技術(shù)走向工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題。