讓“近凈成形”結構件飛上藍天

當前，“綠色浪潮”席卷全球，制造業轉型升級已是全球共識，推行綠色制造技術，實現制造過程的環保、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制造技術領域取得令人矚目的成績，并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復雜構件的“近凈成形”。這一技術率先由美國在1995年提出，并迅速發展起來。由于高性能金屬構件激光成形技術對大型鈦合金結構件成形制造而言具有突出優勢，同時在航空航天裝備研制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制造方法，如整體鍛造、切削技術，到這種新型的激光直接制造技術，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制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，也降低了加工制造的效率。傳統方法對制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制造、萬噸級以上的重型液壓鍛造裝備，制造工藝相當復雜，生產周期長、制造成本高。

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

王華明教授認為，大型鈦合金結構件激光直接制造技術確實是一種帶有變革性的，短流程、低成本的數字化制造技術，也正因為這一系列優勢使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制與生產具有重要影響的核心關鍵制造技術之一。

“產學研”相結合——助力“近凈成形”結構件飛上藍天

正是大型鈦合金結構件激光直接制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，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，與中航工業沈陽飛機設計研究所等單位展開緊密合作，突破了飛機鈦合金次承力結構件激光快速成型應用關鍵技術，成為當時繼美國原AeroMet公司之后世界上第二個實現激光快速成形鈦合金結構件在飛機上實際裝機應用的研究團隊。

“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” 控制是制約激光成形技術的瓶頸，王華明教授及其科研團隊在解決制約激光成形技術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構件“變形開裂”預防、“凝固組織和內部缺陷”控制等問題。具體的技術突破包括以下幾個方面：

首先，王華明教授及其科研團隊提出了原創性的“熱應力離散控制”方法，為有效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“特種雙態顯微組織”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，疲勞力紋擴展速率降低了一個數量級以上，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，初步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制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。

“產”為“研”之用。實現成功應用是進行技術突破的目的。本著以實現應用為目標的信念，王華明教授及其科研團隊在航空制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；制造出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制造出我國自主研發的大型客機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中央翼根肋，傳統鍛件毛坯重達1670千克，而利用激光成形技術制造的精坯重量僅為136千克，節省了91.5%的材料，并且經過性能測試，其性能比傳統鍛件還要好。這一系列成功的應用，實現了王華明教授讓“近凈成形”結構件飛上藍天的夢想。

談及大型鈦合金結構件激光直接制造技術的發展前景，王華明教授既不失客觀，又充滿信心。他認為，目前制約大型鈦合金結構件激光直接制造技術進一步發展的問題，仍然是激光成形過程中零件“變形開裂”和“內部缺陷和內部組織”控制的“瓶頸難題”。目前，大型金屬構件激光快速成形技術研究在國際上處于“低潮”。但在王華明教授看來，之所以該技術研究落入“低潮”，一方面是由于該技術發展時間較短，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。

只有夯實基礎，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“近凈成形”結構件飛得更高！