北京航空航天大學大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室在中國工程院院士王華明團隊率領(lǐng)下，經(jīng)20余年的不懈研究，在國際上率先為我國航空發(fā)動機技術(shù)趕超發(fā)達國家作出新的貢獻。近日，已成功研制具有原創(chuàng)核心技術(shù)、世界最大的激光增材制造設(shè)備（成形能力達7米×4米×3.5米），以及世界最大的16平方米3D打印（某大型轟炸機）某發(fā)動機鈦合金加強框。在2016年1月18日，王華明院士主持的“飛機鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項目獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎。
根據(jù)國內(nèi)外公開資料推測，王華明院士在我國新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機用發(fā)動機關(guān)鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進展，采用了激光快速成形雙相鈦合金“特種熱處理”新工藝，激光增材制造出了具有梯度組織和梯度性能的先進航空發(fā)動機鈦合金整體葉盤，具有極為優(yōu)異的綜合力學性能。
新一代高性能軍用飛機的優(yōu)異作戰(zhàn)性能強烈依賴于先進高推重比航空發(fā)動機的應(yīng)用，而整體葉盤技術(shù)將發(fā)動機葉片、輪盤等零件集成設(shè)計為一個整體構(gòu)件，可大幅減少零件數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而提高發(fā)動機的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)相比，每個整體葉盤可減重約30%。
目前，雙性能整體葉盤技術(shù)的制造方法主要采用是焊接法，通過線性摩擦焊等技術(shù)將不同性能的葉片和盤片焊接為一個整體。然而焊接法的最大問題是連接區(qū)域往往會成為整個構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對于強調(diào)高可靠性和長壽命的航空發(fā)動機高速轉(zhuǎn)動部件來說是個重要隱患。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，人們提出直接在盤體上增材生長出葉片，通過同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤體邊緣預(yù)先加工出凸臺，逐層堆積成鈦合金葉片。
王華明院士團隊經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金激光增材制造過程中，移動熔池凝固存在池底外延生長和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導凝固方式，通過對熔池凝固兩種主要方式的主動控制即可實現(xiàn)對增材制造金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和力學性能的主動控制。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長全柱狀晶組織，其具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能；第二種方式可使構(gòu)件獲得各向同性力學性能優(yōu)異的等軸晶凝固組織。這兩種方式通過人為交替排列，可獲得“鋼筋混凝土狀”混合凝固晶粒組織。這種混合凝固晶粒組織迄今未見國內(nèi)外報道，傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無法制備。該技術(shù)實現(xiàn)了整體葉盤葉片和盤體組織性能的精確控制，特別是整體葉盤的盤體到葉片的關(guān)鍵過渡區(qū)，實現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進過渡，達到了航空發(fā)動機專家所希望的要求。
王華明院士團隊還對激光增材制造雙性能整體葉盤技術(shù)后續(xù)熱處理技術(shù)進行了深入研究，經(jīng)特殊熱處理后，其塑性變形抗力尤其是抵抗裂紋擴展能力極其優(yōu)異，與傳統(tǒng)鍛造鈦合金相比，其疲勞裂紋擴展門檻值提高了61%，而疲勞裂紋擴展速率降低一個數(shù)量級以上。隨著激光增材制造雙性能整體風扇和高壓壓氣機葉盤技術(shù)的逐漸成熟，高溫合金渦輪盤增材制造技術(shù)有可能成為王華明院士團隊下一個重點攻克的技術(shù)難點，有望為我國航空發(fā)動機技術(shù)趕超發(fā)達國家作出新的貢獻。（文言）
