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12期王华明等:大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战

1　引　　言

　　钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等突出优点,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机及工业重型燃气轮机等装备中的用量越来越大[1～7],例如,波音787大型客机中钛合金结构件用量已超过机体结构重量的15%,美国第四代战机F-22中钛合金结构件用量更高达41%,高推比航空发动机中钛合金用量达25%～40%。同时,为有效降低装备结构重量、提高装备性能、使用寿命和可靠性,飞机、航空发动机等装备均需越来越多地采用钛合金大型整体结构。事实上,大型整体钛合金关键结构件用量的高低,已成为衡量现代飞机和航空发动机等重大装备技术先进性的重要标志之一。

采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件,工序长、工艺复杂,对制造技术和制造装备的要求高,成形技术难度大,不仅需要万吨级以上的重型液压锻造工业装备、大规格锻坯加工及大型锻造模具制造,而且零件加工去除量大、数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高(例如,美国F-22飞机中尺寸最大的Ti6Al4V钛合金整体加强框,零件重量不足144kg,而其毛坯模锻件重达2796kg,材料利用率不到4.90%,数控加工周期长达半年以上)。大型整体钛合金关键结构件成形制造技术,被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一[1～3]。

钛合金结构件激光快速成形技术是以钛合金粉末为原料,通过激光熔化/快速凝固逐层沉积“生长制造”,由零件CAD模型一步完成全致密、高性能钛合金结构件的“近净成形制造”[2～8]。与整体锻造等传统制造技术相比,具有以下特点:1)无需大型锻造工业装备、大型锻造模具制造及大规格锻坯制备加工;2)高性能钛合金材料的制备与大型钛合金零件的“近净成形”一步完成;3)零件机械加工余量小、数控加工时间短、材料利用率高、生产周期短、制造成本低;4)零件具有细小、均匀的激光“原位”冶金/快速凝固组织,综合力学性能优异;5)柔性高、响应快等。该技术是一种“变革性”的数字化、先进“近净成形”技术,为大型钛合金结构件的低成本、短周期、近净成形制造提供了一条新的技术途径,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机、重型燃气轮机等重大工业装备的研制生产中具有重要的应用前景。

但是,大型整体钛合金结构件激光快速成形过程中物理、化学、力学和材料冶金现象极其复杂,技术难度很大,国内外对钛合金零件激光快速成形内部组织形成规律和内部缺陷形成机理、零件内应力演化规律及变形开裂行为等关键基础问题缺乏深入的认识和研究,国际上除我国以北京航空航天大学和沈阳飞机设计研究所为核心的“产学研”研究团队近期取得的可喜成果外,在突破零件“变形和开裂”预防和“内部质量”控制等一直制约着飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形技术发展和应用的重大“瓶颈”难题上未能取得实质性进展。本文简要报道飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术的研究进展,并分析了该技术发展面临的挑战和急需解决的关键基础问题。

2　大型钛合金结构件激光直接制造技术研究进展

高性能金属零件激光直接成形技术,于1995年在美国首先被提出,随即在国际上迅速发展,成为受到广泛关注的“高性能材料制备与复杂零件直接近净成形一体化”新技术。由于其对大型钛合金结构件成形制造的突出优势及其在飞机等装备研制生产中的广阔应用前景,过去十几年来一直是激光先进制造技术领域的前沿研究热点,并受到政府和工业部门的高度关注和资助,研究进展迅速。

国外有关大型钛合金结构件激光快速成形技术的研究主要集中在美国。1995～2005年间,在美国国防部先进研究计划署(DA RPA)及海军研究办公室(ONR)等部门的巨额资助下,美国约翰哈普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学及M TS公司等对飞机钛合金结构件激光快速成形技术进行了大量研究并取得重大进展[1,2],在此基础上,1998年由M TS公司独资成立了专门从事飞机钛合金结构件激光快速成形制造技术研发和工程化应用的AeroM et公司,与波音、诺克希德·马丁及诺斯罗普·格鲁曼等美国三大军用飞机制造商合作,在美国空军“锻造计划”(Air Fo rce's Fo rging Initiative)、陆军制造技术计划(A rmy's M antech Pro gram)、国防部“军民两用科技计划”(Dual Use Science and Techno logy Prog ram)等资助下,致力于飞机钛合金结构件激光快速成形技术研究及其在飞机上的应用关键技术研究。2000年9月在波音和诺克希德·马丁公司完成了对激光快速成形钛合金全尺寸飞机机翼结构件的地面性能考核试验,激光快速成形钛合金构件的

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