國慶前夕，中共中央政治局以實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略為題舉行第九次集體學習，“學習地點”為中關(guān)村。中央領(lǐng)導們重點考察了3D打印、集成電路裝備、新一代信息技術(shù)、節(jié)能環(huán)保、新材料、生物和健康、航空航天等研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)，并與企業(yè)負責人和科研人員進行了深入交談。中航天地激光科技有限公司王華明教授作為“鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”這一國內(nèi)3D打印尖端技術(shù)發(fā)明人，當天為向中央領(lǐng)導們講解了國際、國內(nèi)3D打印技術(shù)現(xiàn)狀和市場運用前景。

據(jù)了解，3D打印技術(shù)被譽為第三次工業(yè)革命的重大標志性技術(shù)，中航激光運用的激光快速成型是3D打印技術(shù)中的高端技術(shù)，王華明教授因鈦合金大型復雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)研究的成就獲得了2012年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

中航激光主要從事大型鈦合金、高強鋼等高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)的研發(fā)、生產(chǎn)加工及銷售，產(chǎn)品主要應(yīng)用于先進戰(zhàn)機、大型飛機、高推重比航空發(fā)動機、重型燃氣輪機等高端大型工業(yè)裝備。目前A股市場中，中航投資、中航重機是中航天地激光的股東，中航投資此前于7月單方面向天地激光增資1000萬元。同時，憑借金融控股優(yōu)勢，中航投資還能以旗下的如中航信托等多種金融工具推動中航激光3D打印技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

市場人士認為，中央領(lǐng)導此次集體考察體現(xiàn)了對科技創(chuàng)新的高度重視，必將極大激發(fā)企業(yè)對于自主研發(fā)的熱情。

王華明，北京航空航天大學材料學院材料加工工程系主任、材料加工工程學科責任教授、“長江學者特聘教授”。開辟“快速凝固激光材料制備與成形”研究新領(lǐng)域，建成先進的“激光材料加工制造技術(shù)實驗室”，在先進材料快速凝固激光制備加工與成形制造領(lǐng)域取得多項原創(chuàng)性成果并在航空發(fā)動機及飛機上得到應(yīng)用。2000年來主持“國家自然科學基金重點項目”、“國家863計劃課題”“教育部跨世紀優(yōu)秀人才計劃基金”、“總裝武器裝重點基金”、“國防基礎(chǔ)科研重點項目”等科研項目10余項，發(fā)表論文被SCI及EI收錄137篇次、授權(quán)與申請發(fā)明專利7項、獲得“北京市教學成果一等獎”及“國家教學成果二等獎”。2013年入選國家“萬人計劃”第一批科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

主要從事以下幾個方向的研究：

(1)提出“激光熔覆多元多相過渡金屬硅化物高溫耐磨耐蝕多功能涂層”研究新方向，研究出Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能優(yōu)異并同時具有“反常磨損-載荷特性”、“反常磨損-溫度特性”、“不粘金屬特性”等性質(zhì)的過渡金屬硅化物多功能涂層材料新體系10余個，系列研究論文被《Advanced Coatings & Surface Technology》國際期刊“專題報道”;

(2)在對高推重比航空發(fā)動機關(guān)鍵摩擦副零部件高溫高速“超常”摩擦學行為深入研究基礎(chǔ)上，研究出含碳量高達9～12%的“激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫自潤滑特種耐磨涂層新材料”，在我國某新型航空發(fā)動機關(guān)鍵熱端高溫耐磨運動副零部件上得到成功應(yīng)用，獲“國防科學技術(shù)獎”二等獎;

(3)在對鈦合金非接觸激光熔化冶金晶體擇優(yōu)生長特性深入實驗與理論研究的基礎(chǔ)上，發(fā)明“定向生長柱晶鈦合金激光區(qū)域約束熔鑄冶金材料制備與發(fā)動機葉片等復雜零件激光直接成形新技術(shù)”，鈦合金高溫持久壽命提高10倍以上;

(4)突破飛機鈦合金等高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光快速成形關(guān)鍵技術(shù)及關(guān)鍵工藝裝備技術(shù)，激光快速成形BT20鈦合金機身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件通過裝機試飛前構(gòu)件全部地面考核并已通過裝機評審即將完成實際裝機應(yīng)用;將“合金超純凈精煉”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先進高溫合金制備技術(shù)與“激光快速成形技術(shù)”有機融合為一體，提出“超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤”新思路及其近終形零件激光直接成形制造新技術(shù)，成功制造出直徑達450mm的超純凈徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤件;

(5)發(fā)明了“水冷銅模激光熔煉爐”及難熔、難加工、高活性金屬材料激光熔鑄材料制備與零件直接成形新工藝”，成功實現(xiàn)W等難熔合金及W/W5Si3等難熔金屬增強超高溫“原位”復合材料及其零件的激光熔鑄冶金制備與成形制造，為難熔難加工高性能合金材料的制備與復雜零件成形制造找到了一條新的途徑;

(6)發(fā)現(xiàn)“高Jackson因子小面晶體”光滑液-固界面及臺階生長機制對凝固冷卻速度及界面過冷度的高度不敏感性，對在經(jīng)典凝固理論中被廣泛接受的“隨凝固冷卻速度或界面過冷度的增加、小面晶體液/固界面結(jié)構(gòu)將由原子尺度光滑向原子尺度粗糙轉(zhuǎn)變、生長機制由側(cè)向生長向連續(xù)生長機制轉(zhuǎn)變”經(jīng)典凝固理論“著名推論”的適用范圍進行了合理補充。

大型鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形技術(shù)研究進展

一、前言

鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、耐蝕性及高溫力學性能好等突出特點，在航空、航天、石化、船舶等工業(yè)裝備中用量越來越大而且主要被廣泛用作各種機身加強框、梁、接頭等飛機大型關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)件。以航空應(yīng)用為例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客機(B一787、A一380)中鈦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，第三代殲擊機中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量由F-16的約3%增加到了F/A18-ElF、蘇-27的15%以上，而第四代殲擊機F一22中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量已占機身結(jié)構(gòu)總重量的41%，事實上，大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件用量的高低已成為衡量飛機等國防裝備技術(shù)先進性的重要標志之一。

但是，由于受鈦合金本性的影響，采用“鍛造+機械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造這些大型復雜鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬噸級以上重型液壓鍛造工業(yè)裝備，而且制造工序繁多、工藝復雜，需要大型鈦合金鑄錠真空熔鑄、大規(guī)格鍛坯制備、大型鍛造模具加工等，零件機械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5～10%)、數(shù)控加工時間長、制造成本高、生產(chǎn)周期長，嚴重制約了大型鈦合金結(jié)構(gòu)件在先進工業(yè)及國防裝備中的廣泛應(yīng)用，大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件低成本、短周期成形制造技術(shù)，也是制約我國航空裝備研制與生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”之一!

高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術(shù)，利用快速原型制造(rapid prototype manufacturing，RPM)的基本原理，以金屬粉末(或絲材)為原材料，通過高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復雜金屬零件的“近終成形”制造(near-net-shape manufacturincl)，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化、短周期、低成本、先進“近凈成形”制造新技術(shù)，在航空、航天等國防裝備研制與生產(chǎn)中具有廣闊的應(yīng)用前景，與傳統(tǒng)制造技術(shù)(鍛壓+機械加工、鍛造+焊接等)相比，具有以下突出優(yōu)點：

(1)高性能材料制備與復雜零件“近凈成形”制造一體化，無需零件毛坯制備和鍛壓模具加工、無需大型或超大型鍛鑄工業(yè)裝備及其相關(guān)配套設(shè)施;

(2)零件具有晶粒細小、成分均勻、組織致密的獨特快速凝固組織，綜合力學性能優(yōu)異;

(3)零件的材料利用率高(可比鍛件提高5倍以上)、機加工量小、數(shù)控機加工時間短;

(4)制造成本低、生產(chǎn)制造周期短;

(5)工藝與設(shè)備簡單、工序少而短、具有高度柔性與“超常”快速反應(yīng)能力：

(6)可以方便地實現(xiàn)包括W、Mo、Nb、Ta等各種難熔及Ti、Zr等各種高活性高性能金屬材料零件的材料制備和零件直接“近凈成形”;

(7)可根據(jù)零件的工作條件和性能要求，通過靈活改變局部激光熔化沉積材料的化學成分，實現(xiàn)多材料梯度復合高性能金屬的直接近凈成形制造;

(8)具有對構(gòu)件設(shè)計與批量變化的高度柔性與快速反應(yīng)能力。

激光快速成形技術(shù)的獨特優(yōu)點，為克服大型鈦合金結(jié)構(gòu)件上述制造技術(shù)缺點提供了一條新途徑，也由于鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)對先進國防裝備研制與生產(chǎn)的重要性和廣泛實用性，美國等西方工業(yè)及軍事強國對其十分重視，美國國防部先進計劃署(DARPA)及海軍辦公室(ONR)等部門，自1995年來先后實施一系列專門研究計劃，對飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)予了重點支持，研究與應(yīng)用進展迅速。

二、飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)國外研究進展

迄今為止，國外只有美國AeroMet公司(1998年MTS公司出資與賓州州立大學、約翰哈普金斯大學合作成立了專門從事飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造的高技術(shù)公司，該公司2005年1 2月已破產(chǎn)倒閉)，在2002～2005年期間實現(xiàn)了激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上的應(yīng)用。AeroMet公司在美國國防部“軍民兩用科技計劃”、美國空軍“鍛造計劃”、美國陸軍“滿特”計劃等計劃的資助下，同Boeinq、Lockheed-Martin公司等軍用飛機制造商密切合作，開展飛機機身鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)研究，2000年9月成功完成對激光成形鈦合金全尺寸飛機機翼結(jié)構(gòu)件的地面性能考核試驗，構(gòu)件疲勞強度及靜強度達到了取代傳統(tǒng)鍛造及鑄造飛機鈦合金構(gòu)件的要求。

2001年起AeroMet公司開始小批量為波音公司生產(chǎn)F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機供應(yīng)發(fā)動機艙推力拉梁(圖1)、機翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板(圖2)及龍骨梁壁板(圖3)等機翼鈦合金非主承力結(jié)構(gòu)件。2002年制定出了激光快速成形Ti6A14V產(chǎn)品技術(shù)標準，該公司從2002年開始直到2005年12月宣布破產(chǎn)倒閉為止，激光快速成形制造的Ti6A14V等飛機鈦合金構(gòu)件已在F-22、F/A18-ElF等飛機上裝機應(yīng)用。

美國AeroMet公司是世界歷史上第一家掌握飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并成功實現(xiàn)裝機應(yīng)用的單位，但令人遺憾的是。由于受其激光快速成形工藝固有缺點的影響，其激光快速成形Ti6A14V等鈦合金構(gòu)件即使經(jīng)過后續(xù)熱等靜壓(HIP)或開模鍛造(Open Die Forging)加工，零件材料的疲勞性能始終明顯低于鍛件水平(如圖4所示)，致使激光快速成形鈦合金構(gòu)件無法實現(xiàn)在飛機關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，限制了激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上的應(yīng)用范圍并最終導致Ae roMet公司于2005年12月宣布破產(chǎn)倒閉。

三、飛機鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)國內(nèi)研究進展

迄今國內(nèi)開展過鈦合金激光快速成形技術(shù)研究的單位只有北京有色金屬研究總院、西北工業(yè)大學和北京航空航天大學等少數(shù)幾家單位，但除北航外，尚未實現(xiàn)在飛機上的裝機應(yīng)用。

北京航空航天大學激光材料成形與制備實驗室，在國家自然科學基金“重點”項目及“杰出青年基金”項目、國家“973計劃”專題、國家“863計劃”重點項目等項目的重點支持下，與沈陽飛機設(shè)計研究所等單位產(chǎn)學研緊密結(jié)合，白1998年以來一直致力于鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形工藝、成套工藝裝備及工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究。

“十五”期問，自主研制成功國內(nèi)首套、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“自由平面接觸/動態(tài)密封/惰性氣氛保護”鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形成套工藝裝備系統(tǒng)。突破了飛機鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝及裝機應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，激光熔化沉積制造TC4、TAl5、BT22、TC2等鈦合金室溫及高溫拉伸、高溫持久、高溫蠕變、光滑疲勞、缺El疲勞等力學性能均顯著超過鍛件，2005年來激光快速成形TAl5、TC4等多種鈦合金結(jié)構(gòu)件，已實現(xiàn)在飛機上的裝機應(yīng)用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3、制造成本降低了1/2以上。

“十一五”期間，在飛機大型主承力鈦合金結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩(wěn)定性及構(gòu)件質(zhì)量保障等系列核心關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進展：

1.研究出了大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形新工藝，解決了激光快速成形大型整體鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件變形與開裂的的“技術(shù)難題”。

2.提出并掌握了激光快速成形飛機大型整體鈦合金主承力構(gòu)件凝固組織晶粒形態(tài)及熱處理顯微組織主動控制新方法。

3.認識激光快速成形飛機鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷形成機理并突破內(nèi)部缺陷與質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)。

4.突破了激光快速成形飛機鈦合金大型主承力整體結(jié)構(gòu)件組織和內(nèi)部質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)，激光快速成形大型整體鈦合金主承力構(gòu)件綜合力學性能達到和超過鈦合金模鍛件，其中，缺口疲勞極限超過鈦合金模鍛件40%以上、高溫持久壽命較模鍛件提高400%以上。

5.成功激光快速成形制造出了零件單件重量逾110kq的多種鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件(部分樣件實物照片見圖5)及迄今國內(nèi)尺寸最大的大型整體鈦合金飛機主承力結(jié)構(gòu)件。

四、中國鈦合金3D打印后來居上

我國的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年美國解密其研發(fā)計劃3年才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學習，在全國多所大學和研究所設(shè)立實驗室進行研究。其中，中航激光技術(shù)團隊取得的成就最為顯著。

早在2000年前后，中航激光技術(shù)團隊就已經(jīng)開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，在國家特別是軍方資金的持續(xù)支持下，經(jīng)過數(shù)年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護系統(tǒng)”、“熱應(yīng)力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復雜、尺寸達到4m量級、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)用價值。

目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(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)件制造并且裝機工程應(yīng)用的國家。

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，中國生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優(yōu)勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進戰(zhàn)機上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過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，但重量較大且無法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰(zhàn)機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無法制造復雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。

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，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現(xiàn)在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。

更重要的是，許多復雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術(shù)制造，在強度相當?shù)那闆r下，重量最多可以減少40%。

下一代國產(chǎn)飛機的關(guān)鍵技術(shù)

在航空領(lǐng)域，中國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)斗機的設(shè)計研發(fā)中，激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛運用。通過這一技術(shù)，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機的推重比;依托激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，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)斗機并且進行試飛。

民用航空制造業(yè)也開始應(yīng)用這一技術(shù)。目前，在西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室下設(shè)的激光制造工程中心，通過激光立體成型技術(shù)為將于2014年投產(chǎn)，并在2016年投入運營的國產(chǎn)客機 C919 制造了鈦合金翼梁，長度超過5米。

除了制造外，這些部件在出現(xiàn)問題后，也將可以使用同樣的技術(shù)進行修復，而無需重新制造，這將可以節(jié)省大量用于更換受損部件的費用。

憑借激光鈦合金成形技術(shù)，中國在航空材料科學領(lǐng)域第一次走在了世界先進水平的前列，并為中國航空工業(yè)的發(fā)展打下了堅實的基礎(chǔ)。