航空钛合金激光快速成形技术应用

航空钛合金激光快速成形技术应用目录激光设备国外进展中国领先技术原理王华明就飞机钛合金激光快速成型的应用在中科院讲座（摘录）•1。2012年奥巴马在卡内基梅隆大学，宣布创立美国“制造创新国家网络”计划，成立15个制造创新中心组成网络，投资10亿美元。经过5个多月的论证最后还是选了“增材制造”作为第一个中心的研究方向。•2。一个发动机叶盘，传统工艺制造属于“凋刻”，最后剩下来的只有7%。•3。f22钛框，面积5.53平方米。3万吨水压机模锻件能达到0.8平方米，8万吨能达到4.5平方米。•4。传统方法，铸锭，制胚，模具，模锻。举例一个很小飞机框，宝钢等温锻造，模具7千万，分摊到每一个零件，模具费就有几十万。又举例美国的一个飞机零件，压成一个饼3吨，到最后加工完成只有144公斤，材料利用率不到5%。•5。用他的增材制造，材料利用率80%左右。•6。我们打印出的最大的整体结构件5平方米，美国做不了。•7。激光打印出的零件，超过或者等同于锻件的性能，抗疲劳强度，比锻件高32-53%，疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多，但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。•8。飞机起落架的超高强度钢，用此方法抗疲劳强度可以比锻件高20%。涡轮叶片用此方法900度疲劳强度可以比第二代单晶高40%。•9。应用方面，2005年开始，919是可以说的，其他的都不能说（涉及保密）。919，双曲面窗框，只有欧洲有有家公司能做，周期2年，先付200万美元模具费，而且零件非常贵。而我们55天就做好了，4大件，2件已经装上了飞机。•10。翅膀根的受力件，我们做出来136公斤，锻件1706公斤，节省材料90%+，节省了大量材料。10年，已经做完了性能测试，比锻件还要好。•11。05年做出图示零件，需要5天，现在只要几小时。•12。06年某飞机起落架的关键零部件，目前已经批生产，已经受2000多个起落。如果没有这个技术，这个飞机就出不来，可能要推两年。13。某飞机上非常复杂的一个零件，钛合金，一架飞机好几个，现阶段传统技术无法做出来，国内三种方案去研究，两三年不成功，后又去找国外。国外先说能做，看到图纸以后，说做不了。我们临危受命，去年5月19号开始，现在已经装了很多架飞机。14。某飞机零件原来锻胚580公斤，我们做出来36公斤。580公斤锻胚，我们没有这么大的锻造装备，锻不透，性能都不合格。就算加工出来，内应力很大，变形、开裂，成品率非常低。15。f22的机翼和机身连接件，超大超复杂的钛合金构件，因为太复杂20、30万吨的水压机也做不出来。美国人就分成三个铸件，然后热等静压再焊接，铸件的性能很差，但美国人没办法，f22就是这样用的。我们激光成型就可以直接加工出如图示的这么大的零件，这是一个整体（意思是不用分段铸造然后焊接），上面站了一个人，大家可以看出它的尺度。他的性能比锻件还好，可以毫不谦虚地说，这是迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件，美国人也只能是铸造，锻是不可能的，焊也不可能，因为焊出来的性能不行。这个已经通过了8000小时的疲劳试验，一年多时间。就这个构件，铝合金、钢大家看看能不能做出来，更何况钛合金。•16。我们发动机不行，心脏病，未来发动机就是一肚子的整体叶盘，叶片和盘子分开的重量太重。而我们现在可以叶片和盘子同时出来，而且叶片我们可以随心所欲控制组织，让它长成柱状晶，他的高温性能就很好，这里我们让它长成等柱晶，**疲劳度就很好，如果温度再高，我们就可以换材料，它可以做到随心所欲，一种零件可以用很多种材料来做。•17。我这里面都没说具体的零件名称，牵涉到保密的大家都不要说，也不要拍照。我尽量做到没有放零件，只放毛胚，因为零件还是比较敏感。•18。这种加工方法，不能包打天下，适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件，优势是成本、周期、性能，这个方面我们走到了美国人前面。•19。设备用的激光器都是进口，担心被美国人卡脖子，希望国家在大功率激光器上重视。•20。5年前曾经和飞机总设计师聊天，说我们快速设计飞机，都是整体、大型、超长的结构，在2、3个月内就把飞机造出来，不开一套模具，不打一个锻件，不做一个焊缝。也许有人认为这是个梦想，但实际上这已经不是梦想了，我们已经有这样的潜力，只是目前能力有限。技术原理•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。传统工艺制造属于“凋刻”，做“减法”，铸锭－制胚－模具－模锻，材料利用率只有7%；增材制造，属于“塑造”，是做“加法”，材料利用率80%以上。激光打印出的零件，超过或者等同于锻件的性能，抗疲劳强度，比锻件高32-53%，疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级，常规性能和锻件差不多，但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。这种加工方法，不能包打天下，适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件，优势是成本、周期、性能，这个方面我们走到了美国人前面。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。增材制造，可以说是第三次工业革命。激光快速成形过程中零件变形开裂预防、内部质量(内部缺陷、晶粒及显微组织等)及力学性能控制、工程化成套装备与过程控制、应用技术标准等是制约飞机大型整体钛合金结构件激光快速技术走向工程应用的关键技术难题。金属3D打印所有人都是一样的思路，金属粉末输送，激光烧结成型。但是金属粉末到底颗粒多大，30微米还是50微米，激光到底怎么加，功率多大，什么波长，是持续还是用连续脉冲，脉冲给多长，烧结到多少温度，之后怎么降温，这些才是技术重点，肯定也是无数次实验才得到的结果。至于大功率激光器，那完全就是一通用工具而已。将来增材制造的普及的确会带来巨大的便捷。只要有一台3D打印机，懂得编程的自己DIY，不懂编程的网上搜一下文件，就可以在家里制造出各种形状摆件、用品，满足不同的个性化需求，对家庭日用品制造业将产生一定的冲击。但王华明在讲座中说过，增材制造不能包打天下，适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件，优势是成本、周期、性能，对于一般制造业来说，传统制造的优势依然明显，一套模具开发起来虽然费时费力，不过一旦大规模生产，其效率远非增材制造可比，而且费用也比增材制造大大降低。激光设备•设备用的激光器我国目前主要还是进口，担心被美国人卡脖子，希望国家在大功率激光器上重视。全球最大的光纤激光制造商是美国IPGPhotonics公司始创于1990年，2007年进入中国市场，是唯一能够量产数万瓦光纤激光器的公司，目前安装的最大功率高达36kW，应用在核工业领域，现在正在开发的升级版已经把功率提高到了50kW，IPG光纤激光器之所以能够被市场快速接受，是因为其高达30%的电光转换效率，以及其产品免维护和长寿命。目前最大功率的工业用CO2激光器是法国焊接研究所研制的，功率为45kW。国内光纤激光器的研究始于上世纪90年代后期，南开大学在国内率先开展了光纤激光器方面的研究，随后上海光机所、中国兵装院、中电11所、西安光机所等单位在此方面进行了很多试验研究，但这些研究基本全都停留在实验室阶段，离产品化相去甚远。中国武汉锐科光纤激光器有限责任公司由国家“千人计划”入选者闫大鹏博士于2007年在东湖高新区创办，注册资金6000万元，是中国首家且唯一研发并实现规模化生产光纤激光器的高科技企业，拥有多项世界领先的专利和专有技术，并获得国家科技支撑项目和重大专项项目的大力支持，一直努力打造中国人自己的光纤激光器品牌，特别是致力于中高功率光纤激光器产品的研发和规模化生产，目前已经实现了400W以内连续和50W以内脉冲光纤激光器的批量生产，1000W连续光纤激光器也已完成中试，即将进入批量生产阶段，经过几年的发展，公司已成长为国内最大、世界第三大光纤激光器供应商，已具备年产2亿元人民币的生产规模，产品远销日本、韩国、印度、加拿大、西班牙、意大利等国家。2012年500W连续单模光纤激光器实现量产，1KW连续激光器实现了销售并将批量生产，4KW连续激光器也实现了销售并将在本月通过国家组织的鉴定，同时将目标瞄准了10KW连续激光器，其研发已经取得重大技术突破，预计在年底推出样机。武汉锐科真正实现了光纤激光器的本土化和产业化，成功打破了光纤激光器一直由国外公司垄断的局面。国外进展•最早日本于1979年提出“快速原型”这个概念，经过了将近十年的酝酿，世界上第一台该领域实用设备于1988年诞生于美国，随后增材制造的各种工艺如雨后春笋般层出不穷，累计有十几种之多。受到能量束稳定功率及计算机发展水平的制约，最开始的增材制造工艺只适合于木料、树脂、塑料等原材料的快速成型。随着科技的不断进步，金属材料逐渐进入人们的视线，特别是上世纪90年代初美国率先开展基于激光熔覆成型的工艺研究把增材制造提升到一个全新高度，追求复杂结构、优良力学性能的金属直接成型工艺成为了增材制造领域研究的热点。诚然，美国最早开始研究这一热点方向，1985年就开始偷偷地研究，并很接近成功，干了20多年，只能做小玩艺，大的不行，现在多数只能做激光修复。美国于整体结构件5平方米，美国做不了，f22的机翼和机身连接件，超大超复杂的钛合金构件，因为太复杂20、30万吨的水压机也做不出来，美国人就分成三个铸件，然后热等静压再焊接，铸件的性能很差，但美国人没办法，f22就是这样用的。在解决激光成形过程中零件严重“变形开裂”和内部缺陷和内部组织”控制等长期制约该技术发展的重大“瓶颈难题”上，除北京航空航天大学取得了可喜突破外，国内外迄今一直未能取得实质性进展，致使目前大型金属构件激光快速成形技术研究在国际上落入“低潮”，国际上大部分从事激光快速成形技术研究的单位大多转向零件“激光修复”领域。2012年奥巴马在卡内基梅隆大学，宣布创立美国“制造创新国家网络”计划，成立15个制造创新中心组成网络，投资10亿美元。经过5个多月的论证最后还是选了“增材制造”作为第一个中心的研究方向。中国领先•最终将“增材制造”发扬光大并占领制高点的却是来自中国的研究人员。我国钛合金激光快速成形技术，2012年，北京航空航天大学王华明教授，在中科院“科学与技术前沿论坛”上作了一次《飞机钛合金激光快速成型的应用》的讲座，这是中科院院士搞的一系列讲座，曝出一个石破天惊的巨大秘密――中国的激光快速成型（3D打印）应用技术领域已经走在了美国人的前面，成为世界唯一掌握并实现装机工程的国家。建立了工程化成套装备和标准体系（9种材料，57个标准），2004年开始全面运用。已经解密的王华明工艺进展：①突破了飞机大型主、次承力钛合金结构件激光熔化沉积制造关键技术•在国家自然科学基金“重点”及“杰出青年基金项目”、国家973计划专题、国家863计划课题、国防基础科研重大项目等的重点支持下，自1998年以来一直致力于钛合金、高温合金、耐热高强度钢、超高强度钢、金属间化合物合金等先进航空金属结构材料及其梯度材料激光熔化沉积成形工艺、成套工艺装备及工程化应用关键技术的研究，自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触／动态密封／惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统。突破了飞机钛合金次承力结构件激光熔化沉积制造工艺及装机应用关键技术，激光熔化沉积制造TC4、TA15、BT22、TC2等钛合金室温及高温拉伸、光滑疲劳等力学性能达到钛合金锻件水平，而高温持久及缺口疲劳等力学性能显着超过锻件，特别是激光熔化沉积制造角盒等飞机构件疲劳寿命大幅超过钛合金锻件对比件，独立制定出了我国首套激光熔化沉积制造飞机钛合金结构TAl5钛合金角盒、飞机座椅上下支座、腹鳍接头等飞机钛合金结构件，已成功实现在多种重点型号飞机上的应用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2／3、制造成本降低了1／2以上!使我国成为继美国之后