王華明教授:中國首次用3D打印造飛機鈦合金大型主承力構件

中國首次用3D打印造飛機鈦合金大型主承力構件

2013年01月           來源：中國航空新聞網

王華明，北京航空航天大學材料學院材料加工工程係主任、材料加工工程學科責任教授、“長江學者特聘教授”。開辟“快速凝固激光材料製備與成形”研究新領域，建成先進的“激光材料加工製造技術實驗室”，在先進材料快速凝固激光製備加工與成形製造領域取得多項原創性成果並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餘項，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，推行綠色製造技術，實現製造過程的環保、綠色化已是題中之義。而“增材製造”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製造技術領域取得令人矚目的成績，並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複雜構件的“近淨成形”。這一技術1992年在美國首先提出並迅速發展。由於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、低成本成形製造具有突出優勢，在航空航天等裝備研製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製造方法，如整體鍛造、切削技術，到這種新型的激光直接製造技術，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製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，也降低了加工製造的效率。並且傳統方法對製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製造、萬噸級以上的重型液壓鍛造裝備，製造工藝相當複雜，生產周期長、製造成本高。

相較於傳統的大型鈦合金結構件整體鍛造，激光直接製造是一種做“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。激光直接製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製備加工；機械加工餘量小、材料利用率高、生產周期短；加工過程實現結構件“近淨成形”，隻需一步完成；加工設計靈活度高，可以實現特殊功能零部件的“原位”鑄造；所製備的零件具有優異的綜合力學性能，等等。這樣就大大降低了製造成本，提高了製造效率與加工質量。

王華明認為，大型鈦合金結構件激光直接製造技術確實是一種帶有變革性的，短流程、低成本的數字化製造技術，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製與生產具有重要影響的核心關鍵製造技術之一。

“產學研”相結合

助力“近淨成形”結構件飛上藍天

正是大型鈦合金結構件激光直接製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製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複雜整體主承力構件激光成形工藝、內部質量控製、成套裝備研製、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” 控製是製約激光成形技術的瓶頸，王華明及其科研團隊在解決製約激光成形技術的難題方麵取得了可喜的成績。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麵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”控製等問題。具體的技術突破包括以下幾個方麵：

王華明及其團隊提出了原創性的“熱應力離散控製”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製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製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；製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製造出我國自主研發的大型客機C919的主風擋窗框，在此之前隻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製作的零件成本不及模具的1/10；2010年，利用激光直接製造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製造的精坯重量僅為136千克，節省了91.5%的材料，並且經過性能測試，其性能比傳統鍛件還要好。

這一係列成功的應用，實現了王華明教授讓“近淨成形”結構件飛上藍天的夢想。

談及大型鈦合金結構件激光直接製造技術的發展前景，王華明既不失客觀，又充滿信心。他認為，目前製約大型鈦合金結構件激光直接製造技術進一步發展的主要問題，仍然是激光成形過程“內應力控製及零件變形開裂預防”、“內部質量保障及力學性能控製”、“技術標準體係”等瓶頸難題，這些難題的存在一方麵是由於該技術發展時間還不長，各方麵研究工作仍處於探索階段；另一方麵，則是對於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。

隻有夯實基礎，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“近淨成形”結構件飛得更高！