3D打印鈦合金不容易
這種名為“激光立體成形(Laser Additive Manufacturing)”的3D打印技術(shù)通過(guò)激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點(diǎn)是，使用的材料為金屬，“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學(xué)性能，能滿足航空航天、模具、汽車、醫(yī)學(xué)、齒科、工藝品等不同行業(yè)的需求。
圖片說(shuō)明：3D打印技術(shù)在許多領(lǐng)域都已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段
3D打印技術(shù)可以追溯到1984年，Charles Hull最早開發(fā)出從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)打印出3D物體的技術(shù)并在2年后開發(fā)出第一臺(tái)商業(yè)3D印刷機(jī)。隨后在整個(gè)90年代不斷完善了其基本技術(shù)和規(guī)范，并在21世紀(jì)出投入了應(yīng)用。
鈦是一種密度只有鋼鐵的一半，強(qiáng)度卻遠(yuǎn)勝于絕大多數(shù)合金的材料，被廣泛用于航天航空業(yè)。美國(guó)是最早開發(fā)鈦合金3D打印技術(shù)的國(guó)家。1985年，美國(guó)就在國(guó)防部的主導(dǎo)下秘密開始了鈦合金激光成形技術(shù)的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國(guó)繼續(xù)研發(fā)這一技術(shù)，并在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰(zhàn)機(jī)試驗(yàn)。
圖片說(shuō)明：美國(guó)3D鈦合金打印技術(shù)的若干樣品，都是尺寸有限的小零件
然而，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無(wú)法解決，美國(guó)始終無(wú)法生產(chǎn)高強(qiáng)度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國(guó)從事鈦合金激光成型制造業(yè)務(wù)的商業(yè)公司Aeromet由于始終無(wú)法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的市場(chǎng)應(yīng)用而倒閉。美國(guó)的其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也無(wú)法攻克這一難題，目前只能進(jìn)行小尺寸鈦合金部件的打印和鈦合金零件表面修復(fù)。
中國(guó)鈦合金3D打印后來(lái)居上
我國(guó)的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年美國(guó)解密其研發(fā)計(jì)劃3年才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國(guó)的學(xué)習(xí)，在全國(guó)多所大學(xué)和研究所設(shè)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。其中，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)取得的成就最為顯著。
早在2000年前后，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，在國(guó)家特別是軍方資金的持續(xù)支持下，經(jīng)過(guò)數(shù)年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)”、“熱應(yīng)力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長(zhǎng)控制”等多項(xiàng)世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸達(dá)到4m量級(jí)、性能滿足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品，具有了商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。
圖片說(shuō)明：中國(guó)鈦合金3D打印機(jī)制造的大型承力零件
目前，我國(guó)已經(jīng)具備了使用激光成形超過(guò)12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)國(guó)產(chǎn)航空科研項(xiàng)目的原型和產(chǎn)品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造并且裝機(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。
節(jié)約90%的材料和成本
在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國(guó)生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國(guó)航空研制的一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于鈦合金重量輕，強(qiáng)度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過(guò)20%。
傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無(wú)法加工成精細(xì)的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國(guó)F-22戰(zhàn)機(jī)的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費(fèi)嚴(yán)重，原料的95%都會(huì)被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴(yán)格的限制：3萬(wàn)噸大型水壓機(jī)只能鍛造不超過(guò)0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬(wàn)噸水壓機(jī)，鍛造的零件尺寸也不能超過(guò)4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無(wú)法制造復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會(huì)遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。
圖片說(shuō)明：F-22的機(jī)身隔框就是由鈦合金鍛件加工而成
激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當(dāng)于材料成本1~2倍的加工費(fèi)用現(xiàn)在只需要原來(lái)的10%。加工1噸重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計(jì)，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬(wàn)元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬(wàn)元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。
圖片說(shuō)明：西北工業(yè)大學(xué)制造的鈦合金承力梁，長(zhǎng)度達(dá)到5米
更重要的是，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)建可以通過(guò)3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時(shí)，還大大提高了材料強(qiáng)度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國(guó)的3D打印技術(shù)制造，在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，重量最多可以減少40%。
下一代國(guó)產(chǎn)飛機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)
在航空領(lǐng)域，中國(guó)激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛運(yùn)用。通過(guò)這一技術(shù)，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機(jī)殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機(jī)的推重比；依托激光鈦合金成形造價(jià)低、速度快的特點(diǎn)，沈飛在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰(zhàn)斗機(jī)并且進(jìn)行試飛。
憑借激光鈦合金成形技術(shù)，中國(guó)在航空材料科學(xué)領(lǐng)域第一次走在了世界先進(jìn)水平的前列，并為中國(guó)航空工業(yè)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
