揭開中國飛機製造電子束快速成形技術神秘麵紗(ZT)

　　電子速快速成形技術，是指利用計算機把零件的三維CAD模型進行分層處理，獲得各層截麵的二維輪廓信息並生成加工路徑，以高能量密度的電子束作為熱源，按照預定的加工路徑，在真空室內熔化送進的絲材，逐層堆積，最終實現致密金屬零件的近淨成形直接製造，其優勢是實現大型複雜金屬零件的直接快速製造，與傳統去除成形和體積成形技術思想明顯不同。在進行大型整體金屬結構的製造時，電子束快速成形是對現有鑄造、鍛造等製造技術的補充而非取代，將為飛機結構設計師提供一種全新的解決方案，尤其是在研製階段及小批量生產時，其快速反應、無需模具的優勢更為突出。

　　電子束快速成形技術具有一些獨特的優點，主要表現在以下幾個方麵：研製速度快、周期短、成本低、零件性能好。電子束可以很容易達到幾十千瓦級功率輸出。對鈦合金及鋁合金，最大成形速度可以達到15kg/h；電子束快速成形在<5×10-2Pa的真空環境中進行，對處於高溫狀態的金屬材料的保護效果更好，非常適合鈦、鋁等活性金屬的加工；與鍛造/鑄造+機械加工技術相比，電子束熔絲沉積快速成形技術無需大型鑄、鍛模具，直接由零件CAD模型轉化成近淨成形的零件毛坯，無需中間態熱處理和粗加工等工序；材料可節省80%～90%，可減少80%的機械加工量，縮短80%以上的生產周期；有效降低成本，對於航空航天領域的昂貴金屬材料，如鈦合金、鋁合金、鎳基合金等，成本節約尤為可觀；零件內部致密，缺陷率低，鈦合金超聲波探傷可達AA級標準。


　　電子束快速成形技術是世界航空製造業的研究熱點之一，飛機結構中形狀異常複雜的鈦合金結構如果采用鍛件製造，一方麵周期較長，另一方麵，鍛件毛坯厚度變化很大，難以保證內部質量及力學性能的均勻性；還有一些零件，在設計階段，結構需要多次修改，而用傳統方法難以適應這種快速變化。隨著航空製造技術的飛速發展，對零件製造周期及成本的要求越來越高，采用電子束快速成形的方法製造複雜結構鈦合金零部件可以大大加快設計-驗證迭代循環，降低研製開發成本。


　　國外從上世紀90年代開始進行電子束快速成形技術研究，美國麻省理工學院與普惠公司進行了高溫合金渦輪盤的試製，2000年以後，在航空航天飛行器結構製造方麵得到了快速發展。美國航空航天局、波音公司、洛克希德·馬丁公司等均參與了相關技術的測試，並計劃將該技術應用於空間站、海軍無人機、F-35戰鬥機等型號上，以降低製造成本，縮短研製周期。中航工業製造所從2006年在國內率先開展該技術的研究，經過多年艱苦努力，終於在型號應用上結出了第一批果實，在國內實現了電子束快速成形技術在飛機上的首次應用。


　　電子束快速成形技術是中航工業製造所重點發展的專業方向之一，受到了各方麵高度關注，也被寄予了殷切的希望。中航工業製造所電子束快速成形專業擁有一支充滿朝氣和激情的年輕研究團隊，在中航工業製造所以及高能束流加工技術國家重點實驗室的全力支持下，電子束快速成形技術發展十分迅猛。2006年以來，電子束快速成形突破了絲材高速穩定熔凝技術、複雜零件路徑優化技術、大型結構變形控製技術、力學性能調控技術、專用材料開發等一係列關鍵技術，將電子束快速成形技術研究不斷推向深入，實現了從技術概念到實現裝機應用，從小型原理樣機到目前世界領先的電子束成形設備，以及從工藝研究到原材料開發的飛躍，逐步形成了涵蓋材料、裝備、技術服務全方位發展的態勢，取得了矚目的成績：電子束快速成形鈦合金零件已在飛機結構上實現應用；研製了世界領先的大型電子束快速成形設備；開發了大型整體鈦合金零件的電子束快速成形工藝，使中航工業製造所在應用研究及裝備開發方麵走在了世界先進行列。


　　為了促進電子束快速成形技術的推廣應用，飛機中一些複雜鈦合金零件采用了電子束快速成形技術研製。伴隨零件的研製，完成了大量全尺寸解剖件、隨試料性能測試，各項性能指標均滿足設計要求，充分驗證了電子束快速成形短周期、低成本、高質量、不受零件形狀限製、設計思路驗證快的特點，保證了型號任務的順利完成。另一方麵，圍繞項目的研究，開發出了多種快速成形專用合金材料，申請了發明專利，編製了大量技術規範及標準，初步建立了涵蓋原材料、成形工藝、後處理及裝備的技術體係，使電子束快速成形技術走上了規範化、專業化的發展道路。


　　隨著中國國防科技事業的快速發展，電子束快速成形技術不但在航空航天裝備方麵，而且在艦船、化工、核能、汽車等領域均具有巨大的應用潛力，發展十分迅速，未來必將有更多應用了電子束快速成形技術的裝備出現在扞衛國家利益的前線上。

-----------作者:中航工業製造所 鎖紅波