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高性能大型复杂钛合金结构件激光直接快速成形技术

2013.01.23 981 字号
 钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点,在先进飞机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶等先进国防装备中被广泛用作对国防装备性能具有决定性影响的关键结构件,钛合金用量的高低已成为衡量飞机、发动机等许多先进国防装备先进性的重要标志之一。同时,为最大程度减轻航空航天国防装备结构重量,飞机、发动机、飞船、卫星等先进国防装备中大量采用大型复杂整体钛合金结构件,例如,F—22等四代机先进战机机身结构大量采用整体大型钛合金锻件,如F-22中机身四个整体承力隔框锻件最大投影面积达到5.53 m2,锻件毛坯重量重达1 897~2 976 kg,机械加工后最终零件重量仅仅83.7~143.8 kg,材料利用率仅仅2.92%~4.90%,单件零件机械切削加工时间长达6个月以上。

   采用传统锻造-机械加工方法制造这些大型复杂整体钛合金结构件,不仅强烈依赖于我国匮乏或尚不具备的大型与超大型工业基础设施(如:4~10万吨级水压机、100吨米以上的超大自由锻造设备等)及其配套设施与技术水平、需要制造成本很高且准备周期很长的大型或超大型锻造模具加工制造,而且零件机械切削加工量很大、材料利用率很低,需要昂贵的大型或超大型数控机械加工设备,制造成本很高,生产制造周期很长,严重影响国防装备的研制与规模化生产。事实上,大型复杂钛合金关键结构件成形制造技术,是严重制约我国航空、航天等国防装备研制和生产的瓶颈性   技术。
 
  “高性能金属结构件激光直接快速成形制造技术”,利用快速原型制造(RPM)的基本原理,通过金属材料快速凝固激光熔覆逐层沉积,直接由零件CAD模型一步完成组织致密、成分均匀、性能优异的高性能近终形复杂金属零件的快速成形制造,采用该技术可在无需毛坯制备、无需模具加工制造、无需重型或超重型锻铸工业基础设施等的条件下,直接实现钛合金、高温合金、金属间化合物等高性能‘近终形’复杂零部件的无模快速成形制造,是一种代表着先进制造技术与材料技术发展方向、将“高性能结构材料设计、制备与‘近终形’高性能复杂零件直接成形制造”有机融为一体的“无模”、非接触、无污染、数字化、知识化成形制造新技术。
 
  与传统铸锭锻造成形制造技术相比,存在工序少(材料制备与近终形零件成形制造一步完成且不依赖于重型或超重型锻铸工业基础设施)、制造周期短、材料利用率高、机械加工量小、成本低等独特优点,此外,采用该技术还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度材料高性能金属零件的直接快速成形,尤其适合于国防装备中钛合金等高性能大型复杂近终形金属零部件的直接快速成形制造,对国防装备的快速研制、生产与改型具有十分重要的影响。
 
  美国等世界军事强国对该技术的研究及应用极为重视,研究及应用进展迅速,从1995年钛合金结构件激光快速成形技术新概念的提出,到2000年实现在F/A-18E/F、F22等先进战机机身机翼关键钛合金上的批量实际应用,总共不到5年时间。
 
  我国在此领域的研究起步较早,特别是我国在激光熔覆技术研究及应用方面具有很好的研究基础,研究工作受到国家自然科学基金“重点项目”、国家重大基础计划(973计划)项目及国家高技术研究发展计划(863计划)等国家重要研究计划的重点支持,应用基础及应用研究进展较快,其中,北京航空航天大学1998年以来一直致力于钛合金、高温合金、金属间化合物等先进金属结构材料激光快速成形制造技术(激光切割机)的研究及工程化应用,研制出了国内首套、拥有多项自主知识产权的“动态密封/惰性气氛保护钛合金结构件激光快速成形”成套工艺装备,突破了钛合金复杂结构件激光成形工艺关键技术,激光快速成形TC4、TA15等钛合金全面力学性能(室温拉伸、高温拉伸、高温持久、光滑疲劳、缺口疲劳等)达到和全面超过锻造钛合金水平,激光快速成形飞机钛合金构件地面静强度及疲劳强度对比考核试验结果表明,激光快速成形钛合金构件疲劳及静力性能均远远超过锻造钛合金。