3D打印鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

寂靜天花板

鈦合金具有低密度,、高比強(qiáng)度、使用溫度范圍寬(-269~600℃),、耐蝕,、低阻尼和可焊等諸多優(yōu)點(diǎn)，是航空航天飛行器輕量化和提高綜合性能的最佳用材,，其應(yīng)用水平是體現(xiàn)飛行器先進(jìn)程度的一個(gè)重要方面,。提高飛行器的綜合力學(xué)性能并降低成本，是推動(dòng)鈦合金在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的重要措施,。
隨著航空航天技術(shù)的發(fā)展,，鈦合金在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，鈦合金結(jié)構(gòu)件也越來(lái)越呈現(xiàn)出大尺寸,、薄壁曲面,、變厚度和整體結(jié)構(gòu)的趨勢(shì),，進(jìn)一步提高了航空航天飛行器的性能,、結(jié)構(gòu)剛性，減輕了重量,，鈦合金精密成形技術(shù)將是航空航天制造技術(shù)的研究重點(diǎn),。
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4 h9 ]& k. s# t- z! i* t2 o     精密成形是指零件成形后接近或達(dá)到零件精度要求的成形技術(shù),，它是建立在新材料、新設(shè)備,、新工藝,、計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)等技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，發(fā)展了傳統(tǒng)的成形技術(shù),，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品高效,、高性能、低成本的少無(wú)余量制造技術(shù),，精密成形的零件具有高的幾何精度和表面粗糙度,、精確的外形及優(yōu)良的機(jī)械性能。鈦合金精密成形技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,，它的使用能顯著提高各類作戰(zhàn)飛機(jī),、航空發(fā)動(dòng)機(jī)、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈,、運(yùn)載火箭等航空航天產(chǎn)品的綜合性能和保障能力,。針對(duì)精密成形技術(shù)中精密熱成形(包括精密鑄造、超速成形/擴(kuò)散連接,、精密旋壓和激光直接快速成形)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行分析,，這些技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)近凈形生產(chǎn)，材料利用率高達(dá)70%~90%,，已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域凸顯出廣闊的發(fā)展前景和良好的應(yīng)用價(jià)值,。
* X& p# T% \; T9 A$ H. |鈦合金精密鑄造技術(shù)
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: ?% F) ~: @0 l$ }4 t$ y6 u7 e     美國(guó)于20世紀(jì)60 年代開(kāi)始研究應(yīng)用鈦合金精密鑄造技術(shù)，處于世界領(lǐng)先水平,，開(kāi)發(fā)出了熔模陶瓷鑄型技術(shù),、機(jī)加石墨鑄型技術(shù)和熱等靜壓技術(shù)。國(guó)外先進(jìn)國(guó)家已成功研制了F-100,、CFM-56,、CF6-80、F-119等航空發(fā)動(dòng)機(jī)的大型薄壁整體鈦合金中介機(jī)匣,、風(fēng)扇,、高壓壓氣機(jī)機(jī)匣等鑄件，最大直徑已經(jīng)大于1000mm,、最小壁厚小于3mm,、尺寸精度達(dá)到CT6~CT7 級(jí)水平，冶金質(zhì)量高,。
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+ C: a+ Q5 D: Y    美國(guó)F-22戰(zhàn)斗機(jī)在垂尾方向舵作動(dòng)筒支座與其他關(guān)鍵承力部位大量采用鈦合金精密鑄件,，約占其整體結(jié)構(gòu)重量的7.1%。德國(guó)鈦鋁精鑄公司采用近α 型鈦合金IMI834 生產(chǎn)了燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件,。目前,，大型復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)中介機(jī)匣式風(fēng)扇框架基本采用 Ti-6Al-4V 及Ti6242 精鑄件,，見(jiàn)表1,。

     我國(guó)的鈦精鑄技術(shù)起步于20世紀(jì)60 年代,，是借鑒和引進(jìn)國(guó)外技術(shù)發(fā)展起來(lái)的,，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展開(kāi)發(fā)出了鈦合金熔模鑄造技術(shù),、搗實(shí)型鑄造技術(shù),、石墨加工型鑄造技術(shù)等,。鈦合金熔模精密鑄造技術(shù)結(jié)合離心澆鑄工藝技術(shù),，實(shí)現(xiàn)了尺寸900mm,、整體壁厚2.5 mm 的薄壁復(fù)雜鈦合金結(jié)構(gòu)件澆鑄成型,，尺寸精度達(dá)到CT6~CT8 級(jí),，鑄件表面黏污層厚度減少到0.3mm。對(duì)于中小型鑄件尺寸精度可以達(dá)到CT6~CT7 級(jí),，表面粗糙度達(dá)到R a3.2mm,，最小壁厚1.5μm，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,。北京航空材料研究院曾成功澆鑄出尺寸630mm×300mm×130mm,、最小壁厚僅為2.5mm 的復(fù)雜框形結(jié)構(gòu)。
/ j4 h) A/ R( k# ?" D    隨著航空航天裝備升級(jí)換代,，對(duì)構(gòu)件的大型化,、復(fù)雜化和高精度提出了更高要求，鈦合金精密鑄造技術(shù)結(jié)合先進(jìn)熔煉技術(shù),、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),、熱等靜壓技術(shù)、數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)等是今后的主要發(fā)展方向,。目前,，與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)在技術(shù)基礎(chǔ),、設(shè)備,、過(guò)程控制、成形改性一體化,、工藝仿真和數(shù)字化檢測(cè)等方面存在一定的差距,，攻克大型薄壁復(fù)雜整體精鑄件鑄造關(guān)鍵技術(shù)，滿足先進(jìn)航空航天裝備研制的需要是今后工作的重點(diǎn),。
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鈦合金超塑成形/ 擴(kuò)散連接技術(shù)(SPF/DB)
' `$ V) U( Y" p" z8 E8 m# ]3 r& s   超塑成形/擴(kuò)散連接(SPF/DB)是一種把超塑成形與擴(kuò)散連接相結(jié)合用于制造高精度大型零件的近無(wú)余量加工方法,，在現(xiàn)代航空航天工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)30多年的開(kāi)發(fā)研究和驗(yàn)證試驗(yàn),，已進(jìn)入了實(shí)用階段,。
    20 世紀(jì)70 年代早期，美國(guó)洛克威爾公司首先將超塑成形技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)結(jié)構(gòu)件制造中，使鈦合金制造工藝發(fā)生了技術(shù)變革,。隨后，歐美將鈦合金SPF,、SPF/DB 技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目,，促使超塑成形整體鈦合金結(jié)構(gòu)件已獲得工程應(yīng)用，并產(chǎn)生了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益：聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)(JSF)的后緣襟翼和副翼,、F-22后機(jī)身隔熱板等重要結(jié)構(gòu)均采用了鈦合金超塑成形/ 擴(kuò)散連接的整體結(jié)構(gòu),。英國(guó)羅·羅公司采用SPF/DB 技術(shù)研制出了第二代鈦合金寬弦無(wú)凸肩空心風(fēng)扇葉片，每個(gè)葉片實(shí)現(xiàn)減重35%~40%,，處于世界領(lǐng)先地位,。歐盟采用超塑成形的Ti-6Al-4V 合金高度控制儀氣瓶還應(yīng)用于阿里安Ⅴ火箭，國(guó)外一些導(dǎo)彈上用的鈦合金蜂窩結(jié)構(gòu)的翼面也采用SPF/DB技術(shù)成形,。

    國(guó)內(nèi)對(duì)SPF/DB技術(shù)的研究開(kāi)始于70 年代末,，經(jīng)過(guò)30 多年的發(fā)展，我國(guó)SPF/DB 技術(shù)取得了很大的進(jìn)步,。近年來(lái),，我國(guó)新機(jī)研制及改進(jìn)機(jī)型中，前緣襟翼,、鴨翼,、整體壁板和腹鰭等大尺寸鈦合金構(gòu)件采用SPF/DB技術(shù)。針對(duì)航天型號(hào)對(duì)金屬防熱結(jié)構(gòu)的需求,，航天材料及工藝研究所開(kāi)展了鈦合金波紋板SPF 技術(shù)研究,，成功制備出TC4 鈦合金防熱瓦等熱結(jié)構(gòu)部件。
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0 D* G1 [, O7 D! Z1 w SPF/DB 應(yīng)用于航空航天具有兩方面的優(yōu)勢(shì),，一方面是滿足航空航天復(fù)雜幾何形狀零件的要求,，另一方面可以不用接頭(緊固件或鉚釘?shù)?獲得整體結(jié)構(gòu)。SPF/DB 技術(shù)的應(yīng)用方向?yàn)椋捍笮徒Y(jié)構(gòu)件,、復(fù)雜結(jié)構(gòu)件,、精密薄壁件的超塑成形；高速超塑成形技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā),。SPF/DB 技術(shù)應(yīng)用表明：盡管鈦合金成本高,，但成本效益、可靠性,、長(zhǎng)壽命和重量輕量化對(duì)航空航天的吸引力更大,。

# J9 }4 {, D' x4 Y  H/ E' d 鈦合金精密旋壓技術(shù)
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旋壓成形技術(shù)制造的薄壁回轉(zhuǎn)體殼體構(gòu)件解決了在車削加工時(shí)存在的剛度低、顫動(dòng)大,、加工精度低等技術(shù)問(wèn)題或根本無(wú)法加工的技術(shù)難題,，應(yīng)用于航天領(lǐng)域具有諸多優(yōu)勢(shì)。
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美國(guó)強(qiáng)力旋壓生產(chǎn)的φ3900mm大型導(dǎo)彈殼體，徑向尺寸精度達(dá)到0.05mm,，表面粗糙度R a 為1.6~3.2μm,，壁厚差≤0.03mm。美國(guó)鈦制造公司采用1.5m 立式旋壓機(jī)旋壓φ 1524mm 的Ti-6Al-4V鈦合金導(dǎo)彈壓力容器封頭,，每個(gè)封頭的旋壓時(shí)間為5min,。民兵洲際導(dǎo)彈第二級(jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體采用了Ti-6Al-4V 鈦合金，并用強(qiáng)力旋壓成形,，成形后的鈦合金殼體重量減輕30%,。圍繞航天型號(hào)對(duì)輕質(zhì)、高強(qiáng),、大型化航天需求,，德國(guó)MT 宇航公司采用旋壓工藝制備出φ 1905 mm 的高強(qiáng)Ti-15V-3Cr合金推進(jìn)系統(tǒng)貯箱，并應(yīng)用于歐洲阿爾法通信衛(wèi)星巨型平臺(tái),，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星平臺(tái)的大幅度減重,、增加有效載荷。

, S: L4 R3 H' u" G% K( m% s" d 我國(guó)的旋壓工藝與設(shè)備的研究源于60 年代初期,，鈦合金的旋壓研究始于上世紀(jì)70 年代,，經(jīng)過(guò)40 多年來(lái)的發(fā)展，基本形成了從設(shè)備的研制到工藝開(kāi)發(fā)一套成熟的體系,。國(guó)內(nèi)航天所用鈦合金及旋壓制品,，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)外殼、葉片罩,、陀螺儀導(dǎo)向罩,、內(nèi)蒙皮等，Ti8Al1Mo1V 高鈦合金用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片熱處理強(qiáng)化鈦合金旋壓成形,；TB2 鈦合金用于小型噴管旋壓等,。

西安航天動(dòng)力機(jī)械廠研制出國(guó)內(nèi)最大直徑的鈦合金筒形件；通過(guò)正反2 道次普旋翻邊成功旋壓出φ 500mm 的薄壁半圓鈦圈,，零件用于空間飛行器微動(dòng)力姿態(tài)調(diào)整,。

中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第703 研究所采用普旋與強(qiáng)旋相結(jié)合的技術(shù)，以TC3,、TC4 2 種鈦合金板材為坯料,，熱旋壓制備出了2 種鈦合金半球形(φ 內(nèi)522mm×2.0mm)、圓柱形儲(chǔ)箱殼體(φ 163mm×2.0mm×200mm 的杯形件,，φ 163mm×2.0mm×360mm 及φ 112mm×6.0mm×1000mm 的筒形件),。

- Z0 ~# T9 F, v 近幾年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展,，數(shù)值模擬已廣泛應(yīng)用于金屬部件旋壓成形過(guò)程的分析,。航天材料及工藝研究所對(duì)TC4筒形件進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，分析了旋輪攻角、旋輪運(yùn)動(dòng)軌跡,、普旋道次等工藝參數(shù)對(duì)旋壓成形的影響規(guī)律,，成功旋制了高深徑比的TC4 鈦合金筒形件。盡管鈦合金精密旋壓技術(shù)為航天領(lǐng)域提供了各類合金普旋成形高深徑比旋壓件,，但從零件的工程化應(yīng)用和旋壓成形的復(fù)雜性分析,，還需進(jìn)一步加強(qiáng)�,？偟膩�(lái)說(shuō),，旋壓技術(shù)在國(guó)內(nèi)航天工業(yè)獲得廣泛應(yīng)用,，但大直徑,、薄壁整體鈦合金熱旋壓成形工藝尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，直徑2.25 m 貯箱箱底整體旋壓技術(shù),、直徑5 m 低溫貯箱箱底瓜瓣成形,、鈦合金及高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件成形等技術(shù)還處在工藝摸索階段。

鈦合金激光直接快速成形技術(shù)
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' |! O; [7 E  e) S& j 自20世紀(jì)90年代開(kāi)始,，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,，激光直接制造技術(shù)逐漸成為制造領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。激光直接快速成形技術(shù)中有2 種方法可以用于直接制造金屬零件,，即區(qū)域選擇激光熔化(SelectiveLaserMelting, SLM)技術(shù)和近凈成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)技術(shù),。國(guó)外有關(guān)大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究主要集中在美國(guó)。美國(guó)AeroMet公司在2002~2005 年間實(shí)現(xiàn)了激光直接快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用,。2001 年Aero- Met 公司開(kāi)始為波音公司F/A-18E/F 艦載聯(lián)合殲擊/ 攻擊機(jī)小批量試制發(fā)動(dòng)機(jī)艙推力拉梁,、機(jī)翼轉(zhuǎn)動(dòng)折疊接頭、翼梁,、帶筋壁板等機(jī)翼鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件,。2002 年制定出了“Ti6Al4V鈦合金激光快速成形產(chǎn)品”宇航材料標(biāo)準(zhǔn)(ASM 4999)并于同年在世界上率先實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件在F/A-18 等戰(zhàn)機(jī)上的驗(yàn)證考核和裝機(jī)應(yīng)用。在航天領(lǐng)域,，NASA 馬歇爾航天飛行中心(NASA’s Marshall Space FlightCenter in Huntsville,Ala,。)于2012 年將選區(qū)激光熔化成形技術(shù)應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)航天發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜金屬零件樣件的制造。激光直接快速成形技術(shù)還常常被用于鈦合金零件或者模具的修復(fù),。

6 X' b  k, K2 ` 我國(guó)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)的研究,，從2001 年開(kāi)始一直受到政府主要科技管理部門(mén)的高度重視，在飛機(jī),、發(fā)動(dòng)機(jī)等鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形制造工藝研究,、成套裝備研發(fā)及工程應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面取得了較大進(jìn)展。

6 }- S5 \/ \$ w9 C6 r& V; f" U 北京航空航天大學(xué)激光材料加工制造技術(shù)實(shí)驗(yàn)室以飛機(jī)次承力鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件為對(duì)象,，開(kāi)展激光快速成形工程化應(yīng)用技術(shù)研究,，先后制造出TA15 鈦合金角盒近200 件，完成了“激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件在某型飛機(jī)上的裝機(jī)評(píng)審”，首件激光快速成形TA15 鈦合金結(jié)構(gòu)件順利通過(guò)在某型飛機(jī)上的全部應(yīng)用試驗(yàn)考核,，使我國(guó)成為繼美國(guó)之后世界上第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件激光快速成形工程化技術(shù)并實(shí)現(xiàn)激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上應(yīng)用的國(guó)家,。
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& D+ Q4 X' M" n+ [# y: P- ? 北京航空航天大學(xué)王華明主持的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項(xiàng)目研制生產(chǎn)出我國(guó)飛機(jī)裝備中迄今尺寸最大、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的鈦合金等高性能難加工金屬關(guān)鍵整體構(gòu)件,，并在我國(guó)大型飛機(jī)等多型飛機(jī)研制和生產(chǎn)中得到實(shí)際應(yīng)用,，從而使我國(guó)成為目前世界上唯一突破飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并實(shí)現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)用的國(guó)家，如圖1,。

相對(duì)于國(guó)內(nèi)的航空領(lǐng)域的研究應(yīng)用,，目前激光直接快速成形技術(shù)在我國(guó)航天領(lǐng)域的應(yīng)用研究基本上還是處于起步階段。實(shí)際上,，航天液體和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)難加工材料,、復(fù)雜型面的結(jié)構(gòu)件及武器型號(hào)難加工材料輕質(zhì)防熱結(jié)構(gòu)件可以很好地采用選區(qū)激光熔化技術(shù)實(shí)現(xiàn)高精度加工。

采用激光直接快速成形技術(shù)制造航空航天用的整體鈦合金結(jié)構(gòu)件具有材料利用率高,、加工余量小,、周期短和柔性高等優(yōu)點(diǎn)。但激光快速成形過(guò)程中零件變形開(kāi)裂預(yù)防,，內(nèi)部質(zhì)量(內(nèi)部缺陷,、晶粒及顯微組織等)及力學(xué)性能控制依舊是制約大型整體鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件激光直接快速成形技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。

9 Q# {: p! z' K8 [' c7 i2 w5 h  ~   結(jié)束語(yǔ)綜合所述,，鈦合金精密熱成形技術(shù)在獲得不斷進(jìn)步的同時(shí),，也遇到了一些技術(shù)難題，大型整體鈦合金構(gòu)件的工程化應(yīng)用范圍還比較小,，但隨著航空航天產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展,，鈦合金精密熱成形技術(shù)必定步入一個(gè)新的發(fā)展期，鑒于鈦合金和精密熱成形技術(shù)的突出優(yōu)點(diǎn),，二者的結(jié)合在未來(lái)航空航天工業(yè)中的貢獻(xiàn)作用將更為顯著,，今后其主要發(fā)展方向是：(1)大型或者超大型復(fù)雜(薄壁)結(jié)構(gòu)件的整體精密成形、低成本,、工程化應(yīng)用,；(2)計(jì)算機(jī)模擬(仿真)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù),、數(shù)控技術(shù)等與精密成形技術(shù)的結(jié)合,，為航空航天新構(gòu)件的成形提供技術(shù)途徑。
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在水一方一寒秋

大俠,，渠道眾多

菜鳥(niǎo)hong32696

zhide學(xué)習(xí)

000哲

現(xiàn)在是不是激光成型用的比較多呀,？

浩劫kun

鈦合金 高科技

浩劫kun

鈦合金 高科技的東東