中国用3D打印造飞机钛合金大型主承力构件

fengzhi2008

推动制造行业变革的伟大力量：3D打印技术。
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！
王华明教授因此项技术成功应用于J20而荣获2013年度国家技术发明一等奖。

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王华明教授就飞机钛合金激光快速成型的应用讲座

讲座内容提要
1。2012年奥巴马在卡内基梅隆大学，宣布创立美国“制造创新国家网络”计划，成立15个制造创新中心组成网络，投资10亿美元。经过5个多月的论证最后还是选了“增材制造”作为第一个中心的研究方向。
2。一个发动机叶盘，传统工艺制造属于“雕刻”，最后剩下来的只有7%。
3。f22钛框，面积5.53平方米。3万吨水压机模锻件能达到0.8平方米，8万吨能达到4.5平方米。
4。传统方法，铸锭，制胚，模具，模锻。举例一个很小飞机框，宝钢等温锻造，模具7千万，分摊到每一个零件，模具费就有几十万。又举例美国的一个飞机零件，压成一个饼3吨，到最后加工完成只有144公斤，材料利用率不到5%。
5。用他的增材制造，材料利用率80%左右。
6。我们打印出的最大的整体结构件5平方米，美国做不了。
7。激光打印出的零件，超过或者等同于锻件的性能，抗疲劳强度，比锻件高32-53%，疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多，但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。
8。飞机起落架的超高强度钢，用此方法抗疲劳强度可以比锻件高20%。涡轮叶片用此方法900度疲劳强度可以比第二代单晶高40%。
9。应用方面，2005年开始，919是可以说的，其他的都不能说（涉及保密）。919，双曲面窗框，只有欧洲有有家公司能做，周期2年，先付200万美元模具费，而且零件非常贵。而我们55天就做好了，4大件，2件已经装上了飞机。
10。翅膀根的受力件，我们做出来136公斤，锻件1706公斤，节省材料90%+，节省了大量材料。10年，已经做完了性能测试，比锻件还要好。
11。05年做出图示零件（猜测是军用飞机上所使用），需要5天，现在只要几小时。
12。06年某飞机起落架的关键零部件，目前已经批生产，已经受2000多个起落。如果没有这个技术，这个飞机就出不来，可能要推两年。
13。某飞机上非常复杂的一个零件，钛合金，一架飞机好几个，现阶段传统技术无法做出来，国内三种方案去研究，两三年不成功，后又去找国外。国外先说能做，看到图纸以后，说做不了。我们临危受命，去年5月19号开始，现在已经装了很多架飞机。
14。某飞机零件原来锻胚580公斤，我们做出来36公斤。580公斤锻胚，我们没有这么大的锻造装备，锻不透，性能都不合格。就算加工出来，内应力很大，变形、开裂，成品率非常低。
15。 f22的机翼和机身连接件，超大超复杂的钛合金构件，因为太复杂20、30万吨的水压机也做不出来。美国人就分成三个铸件，然后热等静压 再焊接，铸件的性能很差，但美国人没办法，f22就是这样用的。（换了一个图片）我们激光成型就可以直接加工出如图示的这么大的零件，这是一个整体（意思 是不用分段铸造然后焊接），上面站了一个人，大家可以看出它的尺度。他的性能比锻件还好（意思是当然就甩铸件几条街了），可以毫不谦虚地说，这是迄今世界 上性能最好的、结构最复杂的构件，美国人也只能是铸造，锻是不可能的，焊也不可能，因为焊出来的性能不行。这个已经通过了8000小时的疲劳试验，一年多 时间。就这个构件，铝合金、钢大家看看能不能做出来，更何况钛合金。
16。我们发动机不行，心脏病，未来发动机就是一肚子的整体叶盘，叶片和盘子 分开的重量太重。而我们现在可以叶片和盘子同时出来，而且叶片我们可以随心所欲控制组织，让它长成柱状晶，他的高温性能就很好，这里我们让它长成等柱晶，**疲劳度就很好，如果温度再高，我们就可以换材料，它可以做到随心所欲，一种零件可以用很多种材料来做（不知是在同一个零件上的不同部位，还是同一 种零件用不同材料）。
17。我这里面都没说具体的零件名称，牵涉到保密的大家都不要说，也不要拍照。我尽量做到没有放（图片）零件，只放毛胚，因为零件还是比较敏感。
18。这种加工方法，不能包打天下，适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件，优势是成本、周期、性能，这个方面我们走到了美国人前面。
19。设备用的激光器都是进口，担心被美国人卡脖子，希望国家在大功率激光器上重视。
20。 5年前曾经和飞机总设计师聊天，说我们快速设计飞机，都是整体、大型、超长的结构，在2、3个月内就把飞机造出来，不开一套模具，不打一个锻件，不做一个焊缝。也许有人认为这是个梦想，但实际上这已经不是梦想了，我们已经有这样的潜力，只是目前能力有限。（这一段其实是欲言又止，应该是涉及保密，只好把能 力藏着掖着了。这件事肯定在做，最近航空大爆发，绝对和他们这个技术有关。）