大型钛合金结构激光快速成形技术研究进展

一、前言

　　钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能好等突出特点，在航空、航天、石化、船舶等工业装备中用量越来越大而且主要被广泛用作各种机身加强框、梁、接头等飞机大型关键主承力结构件。以航空应用为例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B一787、A一380)中钛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，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F-16的约3%增加到了F/A18-ElF、苏-27的15%以上，而第四代歼击机F一22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41%，事实上，大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。 但是，由于受钛合金本性的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造这些大型复杂钛合金关键结构件，不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备，而且制造工序繁多、工艺复杂，需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等，零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5~10%)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长，严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用，大型钛合金主承力结构件低成本、短周期成形制造技术，也是制约我国航空装备研制与生产的技术“瓶颈”之一! 

　　高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”制造技术，利用快速原型制造(rapid prototype manufacturing，RPM)的基本原理，以金属粉末(或丝材)为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造(near-net-shape manufacturincl)，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本、先进“近净成形”制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景，与传统制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比，具有以下突出优点: 

　　(1)高性能材料制备与复杂零件“近净成形”制造一体化，无需零件毛坯制备和锻压模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施; 

　　(2)零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织，综合力学性能优异; 

　　(3)零件的材料利用率高(可比锻件提高5倍以上)、机加工量小、数控机加工时间短; 

　　(4)制造成本低、生产制造周期短; 

　　(5)工艺与设备简单、工序少而短、具有高度柔性与“超常”快速反应能力: 

　　(6)可以方便地实现包括W、Mo、Nb、Ta等各种难熔及Ti、Zr等各种高活性高性能金属材料零件的材料制备和零件直接“近净成形”; 

　　(7)可根据零件的工作条件和性能要求，通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分，实现多材料梯度复合高性能金属的直接近净成形制造; 

　　(8)具有对构件设计与批量变化的高度柔性与快速反应能力。 

　　激光快速成形技术的独特优点，为克服大型钛合金结构件上述制造技术缺点提供了一条新途径，也由于钛合金结构件激光快速成形技术对先进国防装备研制与生产的重要性和广泛实用性，美国等西方工业及军事强国对其十分重视，美国国防部先进计划署(DARPA)及海军办公室(ONR)等部门，自1995年来先后实施一系列专门研究计划，对飞机钛合金结构件激光快速成形技术予了重点支持，研究与应用进展迅速。 

二、飞机钛合金结构件激光快速成形技术国外研究进展 

　　迄今为止，国外只有美国AeroMet公司(1998年MTS公司出资与宾州州立大学、约翰哈普金斯大学合作成立了专门从事飞机钛合金结构件激光快速成形制造的高技术公司，该公司2005年1 2月已破产倒闭)，在2002~2005年期间实现了激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用。AeroMet公司在美国国防部“军民两用科技计划”、美国空军“锻造计划”、美国陆军“满特”计划等计划的资助下，同Boeinq、Lockheed-Martin公司等军用飞机制造商密切合作，开展飞机机身钛合金复杂结构件激光快速成形技术研究，2000年9月成功完成对激光成形钛合金全尺寸飞机机翼结构件的地面性能考核试验，构件疲劳强度及静强度达到了取代传统锻造及铸造飞机钛合金构件的要求。 

　　2001年起AeroMet公司开始小批量为波音公司生产F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机供应发动机舱推力拉梁(图1)、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板(图2)及龙骨梁壁板(图3)等机翼钛合金非主承力结构件。2002年制定出了激光快速成形Ti6A14V产品技术标准，该公司从2002年开始直到2005年12月宣布破产倒闭为止，激光快速成形制造的Ti6A14V等飞机钛合金构件已在F-22、F/A18-ElF等飞机上装机应用。 

　　美国AeroMet公司是世界历史上第一家掌握飞机钛合金结构件激光快速成形技术并成功实现装机应用的单位，但令人遗憾的是。由于受其激光快速成形工艺固有缺点的影响，其激光快速成形Ti6A14V等钛合金构件即使经过后续热等静压(HIP)或开模锻造(Open Die Forging)加工，零件材料的疲劳性能始终明显低于锻件水平(如图4所示)，致使激光快速成形钛合金构件无法实现在飞机关键主承力结构件上的应用，限制了激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用范围并最终导致Ae roMet公司于2005年12月宣布破产倒闭。