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中國首創(chuàng)激光打印造飛機鈦合金大型主承力構(gòu)件

發(fā)布時間：2015-03-03 16:31:06

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(lǐng)域，建成先進的“激光材料加工制造技術(shù)實驗室”，在先進材料快速凝固激光制備加工與成形制造領(lǐng)域取得多項原創(chuàng)性成果并在航空發(fā)動機及飛機上得到應(yīng) 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(yōu)秀人才計劃基金”、“總裝武器裝重點基金”、“國防基礎(chǔ)科研 重點項目”等科研項目10余項，發(fā)表論文被SCI及EI收錄137篇次、授權(quán)與申請發(fā)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(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

　　當前，“綠色浪潮”席卷全球，推行綠色制造技術(shù)，實現(xiàn)制造過程的環(huán)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(guān) 注。北京航空航天大學的王華明教授及其帶領(lǐng)的科研團隊在大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)領(lǐng)域取得令人矚目的成績，并且在航空航天裝備應(yīng)用中取得了重要突 破。

　　從“減法”到“加法”

　　實現(xiàn)質(zhì)的飛躍

　　高性能金屬構(gòu)件激光成形技術(shù)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(shù)模一步完成高性能大型復(fù)雜構(gòu)件的“近凈成形”。這一技 術(shù)1992年在美國首先提出并迅速發(fā)展。由于高性能金屬構(gòu)件激光成形技術(shù)對大型鈦合金高性能結(jié)構(gòu)件的短周期、低成本成形制造具有突出優(yōu)勢，在航空航天等裝 備研制和生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，受到政府和業(yè)界的高度關(guān)注。

　　在王華明教授看來，從傳統(tǒng)的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件制造方法，如整體鍛造、切削技術(shù)，到這種新型的激光直接制造技術(shù)，實現(xiàn)了加工技術(shù)由“減法”到“加 法”的質(zhì)的飛躍。采用整體鍛造等傳統(tǒng)方法制造大型鈦合金結(jié)構(gòu)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(tǒng)方法對制造技術(shù)及裝備的要 求高，通常需要大規(guī)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(fù)雜，生產(chǎn)周期長、制造成本高。

　　相較于傳統(tǒng)的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件整體鍛造，激光直接制造是一種做“加法”的加工技術(shù)，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(xiàn)材 料逐層添加，直接根據(jù)構(gòu)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(xiàn)多種材料鑄造。綜合來講，這種技術(shù)的 優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：無需大型鍛造工業(yè)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(chǎn)周期短；加工過程實現(xiàn)結(jié)構(gòu)件“近凈成形”，只需 一步完成；加工設(shè)計靈活度高，可以實現(xiàn)特殊功能零部件的“原位”鑄造；所制備的零件具有優(yōu)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(zhì)量。

　　王華明認為，大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)確實是一種帶有變革性的，短流程、低成本的數(shù)字化制造技術(shù)，其被國內(nèi)外公認為是對飛機、發(fā)動機、燃氣輪機等重大工業(yè)裝備研制與生產(chǎn)具有重要影響的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

　　“產(chǎn)學研”相結(jié)合

　　助力“近凈成形”結(jié)構(gòu)件飛上藍天

　　正是大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)所具有的短流程、低成本的特性和廣闊的應(yīng)用前景，引起了國內(nèi)的高度關(guān)注。從2001年起，我國鈦合金結(jié)構(gòu) 件激光快速成形技術(shù)的研究開始受到相關(guān)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(shù)作為重點項目給予持續(xù)資助。在此背景下，王華明教授帶領(lǐng)其科研團隊以實現(xiàn)應(yīng)用為目標，采用“產(chǎn)學研”相結(jié)合的方式，與沈陽 飛機設(shè)計研究所、第一飛機設(shè)計研究院等單位展開緊密合作，經(jīng)過持續(xù)十幾年的艱辛努力，在突破飛機鈦合金小型次承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ) 上，突破了飛機鈦合金大型復(fù)雜整體主承力構(gòu)件激光成形工藝、內(nèi)部質(zhì)量控制、成套裝備研制、技術(shù)標準建立及應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，使我國成為迄今國際上唯一實現(xiàn)激光成形鈦合金大型主承力關(guān)鍵構(gòu)件在飛機上實際應(yīng)用的國家。

　　“研”為“產(chǎn)”之體。技術(shù)的突破是實現(xiàn)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)。零件“變形開裂”、“內(nèi)部缺陷和內(nèi)部組織” 控制是制約激光成形技術(shù)的瓶頸，王華明及其科研團隊在解決制約激光成形技術(shù)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(jié)構(gòu)件激光快速成形工 藝研究、 工程化成套裝備研發(fā)與裝機應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)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(jié)構(gòu)件“變形開裂”預(yù)防、“凝固組織和 內(nèi)部缺陷”控制等問題。具體的技術(shù)突破包括以下幾個方面：

　　王華明及其團隊提出了原創(chuàng)性的“熱應(yīng)力離散控制”方法，為解決大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)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(fā)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(yōu)異的顯微組織新形態(tài)，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(gòu)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(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗關(guān)鍵技術(shù)，飛機構(gòu)件綜合力學性能達到或超過 鈦合金模鍛件水平。

　　“產(chǎn)”為“研”之用。實現(xiàn)成功應(yīng)用是進行技術(shù)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(lǐng)域取得了突出的成績。這些成 績在一個個數(shù)字當中得到最生動的體現(xiàn)：2005年7月成功實現(xiàn)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(jié)構(gòu)件在 3 種飛機上的裝機應(yīng)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(jié)構(gòu)件激光快速成形 工程化成套設(shè)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(shù)制造出我國自主 研發(fā)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(shù)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(tǒng)鍛件毛坯重達1607千克，而利用激光成形技術(shù)制造的精坯重量僅為136千克，節(jié)省了 91.5%的材料，并且經(jīng)過性能測試，其性能比傳統(tǒng)鍛件還要好。

　　這一系列成功的應(yīng)用，實現(xiàn)了王華明教授讓“近凈成形”結(jié)構(gòu)件飛上藍天的夢想。

　　談及大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)的發(fā)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(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)進一步發(fā) 展的主要問題，仍然是激光成形過程“內(nèi)應(yīng)力控制及零件變形開裂預(yù)防”、“內(nèi)部質(zhì)量保障及力學性能控制”、“技術(shù)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(shù)發(fā)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(shù)關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題的研究和把握不夠，包括，大型金屬構(gòu)件激光快速成 形過程內(nèi)應(yīng)力演化行為規(guī)律、內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機理等。

　　只有夯實基礎(chǔ)，才能穩(wěn)步前進；惟有厘清大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成形技術(shù)的內(nèi)部機理，才能讓“近凈成形”結(jié)構(gòu)件飛得更高！