一、前言

　　鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、耐蝕性及高溫力學性能好等突出特點，在航空、航天、石化、船舶等工業(yè)裝備中用量越來越大而且主要被廣泛用作各種機身加強框、梁、接頭等飛機大型關鍵主承力結構件。以航空應用為例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客機(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，第三代殲擊機中鈦合金結構件用量由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F一22中鈦合金結構件用量已占機身結構總重量的41%，事實上，大型整體鈦合金結構件用量的高低已成為衡量飛機等國防裝備技術先進性的重要標志之一。 但是，由于受鈦合金本性的影響，采用“鍛造+機械加工”等傳統(tǒng)技術制造這些大型復雜鈦合金關鍵結構件，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬噸級以上重型液壓鍛造工業(yè)裝備，而且制造工序繁多、工藝復雜，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，零件機械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5~10%)、數控加工時間長、制造成本高、生產周期長，嚴重制約了大型鈦合金結構件在先進工業(yè)及國防裝備中的廣泛應用，大型鈦合金主承力結構件低成本、短周期成形制造技術，也是制約我國航空裝備研制與生產的技術“瓶頸”之一!

　　高性能金屬結構件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術，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，通過高能激光束對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”意義的數字化、短周期、低成本、先進“近凈成形”制造新技術，在航空、航天等國防裝備研制與生產中具有廣闊的應用前景，與傳統(tǒng)制造技術(鍛壓+機械加工、鍛造+焊接等)相比，具有以下突出優(yōu)點:

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

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

　　(3)零件的材料利用率高(可比鍛件提高5倍以上)、機加工量小、數控機加工時間短;

　　(4)制造成本低、生產制造周期短;

　　(5)工藝與設備簡單、工序少而短、具有高度柔性與“超常”快速反應能力:

　　(6)可以方便地實現包括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)可根據零件的工作條件和性能要求，通過靈活改變局部激光熔化沉積材料的化學成分，實現多材料梯度復合高性能金屬的直接近凈成形制造;

　　(8)具有對構件設計與批量變化的高度柔性與快速反應能力。

　　激光快速成形技術的獨特優(yōu)點，為克服大型鈦合金結構件上述制造技術缺點提供了一條新途徑，也由于鈦合金結構件激光快速成形技術對先進國防裝備研制與生產的重要性和廣泛實用性，美國等西方工業(yè)及軍事強國對其十分重視，美國國防部先進計劃署(DARPA)及海軍辦公室(ONR)等部門，自1995年來先后實施一系列專門研究計劃，對飛機鈦合金結構件激光快速成形技術予了重點支持，研究與應用進展迅速。

二、飛機鈦合金結構件激光快速成形技術國外研究進展

　　迄今為止，國外只有美國AeroMet公司(1998年MTS公司出資與賓州州立大學、約翰哈普金斯大學合作成立了專門從事飛機鈦合金結構件激光快速成形制造的高技術公司，該公司2005年1 2月已破產倒閉)，在2002~2005年期間實現了激光快速成形鈦合金結構件在飛機上的應用。AeroMet公司在美國國防部“軍民兩用科技計劃”、美國空軍“鍛造計劃”、美國陸軍“滿特”計劃等計劃的資助下，同Boeinq、Lockheed-Martin公司等軍用飛機制造商密切合作，開展飛機機身鈦合金復雜結構件激光快速成形技術研究，2000年9月成功完成對激光成形鈦合金全尺寸飛機機翼結構件的地面性能考核試驗，構件疲勞強度及靜強度達到了取代傳統(tǒng)鍛造及鑄造飛機鈦合金構件的要求。

　　2001年起AeroMet公司開始小批量為波音公司生產F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機供應發(fā)動機艙推力拉梁(圖1)、機翼轉動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板(圖2)及龍骨梁壁板(圖3)等機翼鈦合金非主承力結構件。2002年制定出了激光快速成形Ti6A14V產品技術標準，該公司從2002年開始直到2005年12月宣布破產倒閉為止，激光快速成形制造的Ti6A14V等飛機鈦合金構件已在F-22、F/A18-ElF等飛機上裝機應用。

　　美國AeroMet公司是世界歷史上第一家掌握飛機鈦合金結構件激光快速成形技術并成功實現裝機應用的單位，但令人遺憾的是。由于受其激光快速成形工藝固有缺點的影響，其激光快速成形Ti6A14V等鈦合金構件即使經過后續(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件無法實現在飛機關鍵主承力結構件上的應用，限制了激光快速成形鈦合金結構件在飛機上的應用范圍并最終導致Ae roMet公司于2005年12月宣布破產倒閉。

三、飛機鈦合金結構件激光快速成形技術國內研究進展

　　迄今國內開展過鈦合金激光快速成形技術研究的單位只有北京有色金屬研究總院、西北工業(yè)大學和北京航空航天大學等少數幾家單位，但除北航外，尚未實現在飛機上的裝機應用。

　　北京航空航天大學激光材料成形與制備實驗室，在國家自然科學基金“重點”項目及“杰出青年基金”項目、國家“973計劃”專題、國家“863計劃”重點項目等項目的重點支持下，與沈陽飛機設計研究所等單位產學研緊密結合，白1998年以來一直致力于鈦合金結構激光快速成形工藝、成套工藝裝備及工程化應用關鍵技術的研究。

　　“十五”期問，自主研制成功國內首套、具有自主知識產權的“自由平面接觸/動態(tài)密封/惰性氣氛保護”鈦合金結構件激光快速成形成套工藝裝備系統(tǒng)。突破了飛機鈦合金次承力結構件激光熔化沉積制造工藝及裝機應用關鍵技術，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疲勞等力學性能均顯著超過鍛件，2005年來激光快速成形TAl5、TC4等多種鈦合金結構件，已實現在飛機上的裝機應用，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，在飛機大型主承力鈦合金結構件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩(wěn)定性及構件質量保障等系列核心關鍵技術上取得了突破性進展:

　　1.研究出了大型整體鈦合金主承力結構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構件變形與開裂的的“技術難題”。

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

　　3.認識激光快速成形飛機鈦合金大型主承力結構件內部缺陷形成機理并突破內部缺陷與質量控制關鍵技術。

　　4.突破了激光快速成形飛機鈦合金大型主承力整體結構件組織和內部質量控制關鍵技術，激光快速成形大型整體鈦合金主承力構件綜合力學性能達到和超過鈦合金模鍛件，其中，缺口疲勞極限超過鈦合金模鍛件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的多種鈦合金關鍵結構件(部分樣件實物照片見圖5)及迄今國內尺寸最大的大型整體鈦合金飛機主承力結構件。

四、中國鈦合金3D打印后來居上

　　我國的鈦合金激光成形技術起步較晚，直到1995年美國解密其研發(fā)計劃3年才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學習，在全國多所大學和研究所設立實驗室進行研究。其中，中航激光技術團隊取得的成就最為顯著。

　　早在2000年前后，中航激光技術團隊就已經開始投入“3D激光焊接快速成型技術”研發(fā)，在國家特別是軍方資金的持續(xù)支持下，經過數年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護系統(tǒng)”、“熱應力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術難題、生產出結構復雜、尺寸達到4m量級、性能滿足主承力結構要求的產品，具有了商業(yè)應用價值。 中國鈦合金3D打印機制造的大型承力零件 目前，我國已經具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術和能力，并投入多個國產航空科研項目的原型和產品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造并且裝機工程應用的國家。

　　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，中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優(yōu)勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構件在航空領域有著廣泛的應用前景。目前，先進戰(zhàn)機上的鈦合金構件所占比例已經超過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，但重量較大且無法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰(zhàn)機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制:3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術都無法制造復雜的鈦合金構件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。 F-22的機身隔框就是由鈦合金鍛件加工而成

　　激光鈦合金成形技術則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術，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，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結構件，粗略估計，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D焊接快速成型技術的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。

　　更重要的是，許多復雜結構的鈦合金構建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術制造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%。

　　下一代國產飛機的關鍵技術

　　在航空領域，中國激光鈦合金成形技術已經得到了廣泛的應用。

　　在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機的設計研發(fā)中，激光鈦合金成形技術已經得到了廣泛運用。通過這一技術，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結構，成功降低了飛機的結構重量，提高了戰(zhàn)機的推重比;依托激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，沈飛在一年之內連續(xù)組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰(zhàn)斗機并且進行試飛。 殲-16原型機的快速制造，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，中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列，并為中國航空工業(yè)的發(fā)展打下了堅實的基礎。

五、結束語

　　采用激光快速技術制造飛機大型整體鈦合金結構件，具有無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，但激光快速成形過程中零件變形開裂預防、內部質量(內部缺陷、晶粒及顯微組織等)及力學性能控制、工程化成套裝備與過程控制、應用技術標準等是制約飛機大型整體鈦合金結構件激光快速技術走向工程應用的關鍵技術難題。