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透析中国运20激光堆积成形技术

  近日,运20总设计师唐长红在接受央视采访时表示,运20采用了当今世界上顶尖的激光堆积成形技术,这对于国际航空工业来说无疑是一枚“重磅炸弹”。为此,本文简要简要介绍国内外激光堆积成形技术的发展及在航空工业中的应用。

  钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性以及优异的高温力学性能等突出特点,在航空航天、船舶、医疗等高技术和尖端科学领域发挥着重要作用,已成为材料科学的重要研究领域之一。

  在航空领域,钛合金材料做成的各种机身加强框、梁、接头等大型关键主承力结构件,因为强度大、重量相对较轻,目前被大多数先进飞机所采用。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一1 6的约3%增加到了F/A1 8-ElF、苏一27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。

  基于钛合金复杂的工艺性能,传统的钛合金锻造对工艺参数非常敏感,锻造温度、变形量、及冷却速度的改变都会引起钛合金组织性能的变化。由于钛合金的化学活性高,易于空气中的N、O发生剧烈化学反应,且易于锻造中常用的耐火材料发生化学反应。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!

  然而,随着科技的发展和技术革新,中国掌握的钛合金制造技术也实现了跨越式的进步。一种“激光熔化堆积快速成型技术”应用于钛合金制造中,利用金属粉末(或丝材),通过一束高性能激光,对金属原材料进行逐层熔化堆积,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,是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本先进的制造新技术,在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的前景,与传统钛合金制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比,具有以下突出优点:

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