讓“近凈成形”結(jié)構(gòu)件飛上藍(lán)天

當(dāng)前，“綠色浪潮”席卷全球，制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)已是全球共識(shí)，推行綠色制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造過程的環(huán)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(guān)注。北京航空航天大學(xué)的王華明教授及其帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)在大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)領(lǐng)域取得令人矚目的成績，并且在航空航天裝備應(yīng)用中取得了重要突破。

從“減法”到“加法”

——實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍

高性能金屬構(gòu)件激光成形技術(shù)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(shù)模一步完成高性能大型復(fù)雜構(gòu)件的“近凈成形”。這一技術(shù)率先由美國在1995年提出，并迅速發(fā)展起來。由于高性能金屬構(gòu)件激光成形技術(shù)對(duì)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件成形制造而言具有突出優(yōu)勢，同時(shí)在航空航天裝備研制生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，受到政府和業(yè)界的高度關(guān)注。

在王華明教授看來，從傳統(tǒng)的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件制造方法，如整體鍛造、切削技術(shù)，到這種新型的激光直接制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了加工技術(shù)由“減法”到“加法”的質(zhì)的飛躍。采用整體鍛造等傳統(tǒng)方法制造大型鈦合金結(jié)構(gòu)件，是一個(gè)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(jī)中尺寸最大的Ti6Al4V鈦合金整體加強(qiáng)框，所需毛坯模鍛件重達(dá)2796千克，而實(shí)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(shí)，在鑄造毛坯模鍛件的過程中會(huì)消耗大量的能源，也降低了加工制造的效率。傳統(tǒng)方法對(duì)制造技術(shù)及裝備的要求高，通常需要大規(guī)格鍛坯加工及大型鍛造模具制造、萬噸級(jí)以上的重型液壓鍛造裝備，制造工藝相當(dāng)復(fù)雜，生產(chǎn)周期長、制造成本高。

相較于傳統(tǒng)的大型鈦合金結(jié)構(gòu)件整體鍛造，激光直接制造是一種做“加法”的加工技術(shù)，主要用高功率的激光束對(duì)粉末絲材進(jìn)行熔化，往上堆積，實(shí)現(xiàn)材料逐層添加，直接根據(jù)構(gòu)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(xì)，力學(xué)性能很好，也可以實(shí)現(xiàn)多種材料鑄造。綜合來講，這種技術(shù)的優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：無需大型鍛造工業(yè)裝備、大型鍛造模具及鍛坯制備加工；機(jī)械加工余量小、材料利用率高、生產(chǎn)周期短；加工過程實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件“近凈成形”，只需一步完成；加工設(shè)計(jì)靈活度高，可以實(shí)現(xiàn)特殊功能零部件的“原位”鑄造；所制備的零件具有優(yōu)異的綜合力學(xué)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(zhì)量。

王華明教授認(rèn)為，大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)確實(shí)是一種帶有變革性的，短流程、低成本的數(shù)字化制造技術(shù)，也正因?yàn)檫@一系列優(yōu)勢使其被國內(nèi)外公認(rèn)為是對(duì)飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重大工業(yè)裝備研制與生產(chǎn)具有重要影響的核心關(guān)鍵制造技術(shù)之一。

“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合——助力“近凈成形”結(jié)構(gòu)件飛上藍(lán)天

正是大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)所具有的短流程、低成本的特性和廣闊的應(yīng)用前景，引起了國內(nèi)的高度關(guān)注。從2001年起，我國鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)的研究開始受到相關(guān)科技管理部門的高度重視，國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、國家“973”計(jì)劃、國家“863”計(jì)劃等主要科技研究計(jì)劃，均將鈦合金激光直接成形制造技術(shù)作為重點(diǎn)項(xiàng)目給予持續(xù)資助。在此背景下，王華明教授帶領(lǐng)其科研團(tuán)隊(duì)以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用為目標(biāo)，采用“產(chǎn)學(xué)研”相結(jié)合的方式，與中航工業(yè)沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等單位展開緊密合作，突破了飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，成為當(dāng)時(shí)繼美國原AeroMet公司之后世界上第二個(gè)實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上實(shí)際裝機(jī)應(yīng)用的研究團(tuán)隊(duì)。

“研”為“產(chǎn)”之體。技術(shù)的突破是實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)。零件“變形開裂”、“內(nèi)部缺陷和內(nèi)部組織” 控制是制約激光成形技術(shù)的瓶頸，王華明教授及其科研團(tuán)隊(duì)在解決制約激光成形技術(shù)的難題方面取得了可喜的成績。在飛機(jī)鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形工藝研究、 工程化成套裝備研發(fā)與裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了突破性的進(jìn)展，有效解決了激光快速成形鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件“變形開裂”預(yù)防、“凝固組織和內(nèi)部缺陷”控制等問題。具體的技術(shù)突破包括以下幾個(gè)方面：

首先，王華明教授及其科研團(tuán)隊(duì)提出了原創(chuàng)性的“熱應(yīng)力離散控制”方法，為有效解決大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形過程零件嚴(yán)重翹曲變形與開裂難題找到了一條新路；其次，發(fā)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(xué)性能優(yōu)異的“特種雙態(tài)顯微組織”新形態(tài)，使激光快速成形鈦合金的綜合力學(xué)性能得到顯著提高，疲勞力紋擴(kuò)展速率降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，為提高飛機(jī)等鈦合金主承力構(gòu)件的使用安全性和損傷容限性能找到了一個(gè)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(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷和內(nèi)部質(zhì)量控制及其無損檢驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)，飛機(jī)構(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件。

“產(chǎn)”為“研”之用。實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用是進(jìn)行技術(shù)突破的目的。本著以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用為目標(biāo)的信念，王華明教授及其科研團(tuán)隊(duì)在航空制造領(lǐng)域取得了突出的成績。這些成績在一個(gè)個(gè)數(shù)字當(dāng)中得到最生動(dòng)的體現(xiàn)：2005年7月成功實(shí)現(xiàn)激光快速成形TA15鈦合金飛機(jī)角盒，TC4鈦合金飛機(jī)座椅支座及腹鰭接頭等4種飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在 3 種飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)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(jī)鈦合金大型結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化成套設(shè)備，其零件激光融化沉積真空腔尺寸達(dá)4000mm×3000mm×2000mm；2009年，王明華團(tuán)隊(duì)利用激光快速成形技術(shù)制造出我國自主研發(fā)的大型客機(jī)C919的主風(fēng)擋窗框，在此之前只有歐洲一家公司能夠做，僅每件模具費(fèi)就高達(dá)50萬美元，而利用激光快速成形技術(shù)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(tǒng)鍛件毛坯重達(dá)1670千克，而利用激光成形技術(shù)制造的精坯重量僅為136千克，節(jié)省了91.5%的材料，并且經(jīng)過性能測試，其性能比傳統(tǒng)鍛件還要好。這一系列成功的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了王華明教授讓“近凈成形”結(jié)構(gòu)件飛上藍(lán)天的夢想。

談及大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)的發(fā)展前景，王華明教授既不失客觀，又充滿信心。他認(rèn)為，目前制約大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的問題，仍然是激光成形過程中零件“變形開裂”和“內(nèi)部缺陷和內(nèi)部組織”控制的“瓶頸難題”。目前，大型金屬構(gòu)件激光快速成形技術(shù)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(shù)研究落入“低潮”，一方面是由于該技術(shù)發(fā)展時(shí)間較短，各方面研究工作仍處于探索階段；另一方面，則是對(duì)于該技術(shù)關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題的研究和把握不夠，包括，大型金屬構(gòu)件激光快速成形過程內(nèi)應(yīng)力演化行為規(guī)律、內(nèi)部組織形成規(guī)律和內(nèi)部缺陷形成機(jī)理等。

只有夯實(shí)基礎(chǔ)，才能穩(wěn)步前進(jìn)；惟有厘清大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成形技術(shù)的內(nèi)部機(jī)理，才能讓“近凈成形”結(jié)構(gòu)件飛得更高！