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Military版 - 北航与沈飞601所研制的全世界最大的激光成型钛合金主承力结构件简介
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话题: 钛合金话题: 结构件话题: 成形话题: 激光话题: 大型
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钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等突出优点,在先进战机、大型飞机、高推重比航
空发动机及
工业重型燃气轮机等装备中的用量越来越大例如,波音787大型客机中钛合金结构件用量
已超过机体
结构重量的15%,美国第四代战机F-22中钛合金结构件用量更高达41%,高推比航空发动机
中钛合金
用量达25%~40%。同时,为有效降低装备结构重量、提高装备性能、使用寿命和可靠性,
飞机、航空
发动机等装备均需越来越多地采用钛合金大型整体结构。事实上,大型整体钛合金关键
结构件用量的
高低,已成为衡量现代飞机和航空发动机等重大装备技术先进性的重要标志之一。采用
整体锻造等传
统方法制造大型钛合金结构件,工序长、工艺复杂,对制造技术和制造装备的要求高,成
形技术难度
大,不仅需要万吨级以上的重型液压锻造工业装备、大规格锻坯加工及大型锻造模具制
造,而且零件
加工去除量大、数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高(例如,美国
F-22飞机中
尺寸最大的Ti6Al4V钛合金整体加强框,零件重量不足144 kg,而其毛坯模锻件重达2796
kg,材
料利用率不到4.90%,数控加工周期长达半年以上)。大型整体钛合金关键结构件成形制
造技术,被
国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的
核心关键制
造技术之一
钛合金结构件激光快速成形技术是以钛合金粉末为原料,通过激光熔化/快速凝固逐层沉
积“生长
制造”,由零件CAD模型一步完成全致密、高性能钛合金结构件的“近净成形制造与整体
锻造
等传统制造技术相比,具有以下特点:
1)无需大型锻造工业装备、大型锻造模具制造及大规格锻坯制备加工;
2)高性能钛合金材料的制备与大型钛合金零件的“近净成形”一步完成;
3)零件机械加工余量小、数控加工时间短、材料利用率高、生产周期短、制造成本低;
4)零件具有细小、均匀的激光“原位”冶金/快速凝固组织,综合力学性能优异;
5)柔性高、响应快等。
该技术是一种“变革性”的数字化、先进“近净成形”技术,为大型钛合金结构件的低
成本、短周期、
近净成形制造提供了一条新的技术途径,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机
、重型燃气
轮机等重大工业装备的研制生产中具有重要的应用前景。
2001年美国AeroMet公司开始为波音公司F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机小批量试制发
动机舱
推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等机翼钛合金次承力结构件。2002年制
定出
了“Ti6Al4V钛合金激光快速成形产品”宇航材料标准(ASM 4999)并于同年在世界上率
先实现激
光快速成形钛合金次承力结构件在F/A-18等战机上的验证考核和装机应用。然而,令人
遗憾的是,
由于未能有效解决激光快速成形大型钛合金结构件内部质量和力学性能控制等关键技术
难题,其激光
快速成形Ti6Al4V等钛合金结构件,即使再经热等静压(HIP)、开模锻造(open-die
forging)
等后续致密化加工,其疲劳等关键力学性能仍然显著低于钛合金锻件(如图1所示[2],优
于铸件而低
于锻件),难以取代锻件实现其在飞机主承力构件上的应用,AeroMet公司最终于2005年12
月被迫
停业关闭
在解决激光成形过程中零件严重“变形开裂”和内部缺陷和内部组织”控制等长期制约
该技术发展的
重大“瓶颈难题”上,除北京航空航天大学取得了可喜突破外,国内外迄今一直未能取得
实质性进展,
致使目前大型金属构件激光快速成形技术研究在国际上落入“低潮”,国际上大部分从
事激光快速成
形技术研究的单位大多转向零件“激光修复”领域,这种趋势在今年三月美国激光学会(
LIA)举行的
激光快速成形研讨会上(LAM’2009)得到充分体现,激光修复成为与会全部24个报告的主
要议题。
“十五”期间,北京航空航天大学与沈阳飞机设计研究所等单位“产学研苯裘芙岷?突破
了飞机钛合金
次承力结构件激光快速成形工艺及应用关键技术,构件疲劳、断裂韧性等主要力学性能
达到钛合金模
锻件水平,2005年7月成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒,TC4钛合金飞机座椅支
座及腹鳍
接头等4 种飞机钛合金次承力结构件在3种飞机上的装机应用,成为当时继美国原
AeroMet公司之
后世界上第二个实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上实际装机应用的研究团队。
“十一五”期间,北京航空航天大学在飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形
工艺研究、工
程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性进展[8],为有效解决激
光快速成形
钛合金大型整体主承力结构件“变形开裂”预防、“凝固组织和内部缺陷”控制和“力
学性能”优化等一
直制约该技术发展的 “瓶颈难题”找到了一条新路,主要研究进展为:
1)提出原创性的“热应力离散控制”新方法,为有效突破大型钛合金主承力结构件激光
快速成形过程
零件严重翘曲变形与开裂“瓶颈难题”找到了一条新路,激光快速成形制造出了单件重
量逾50~200
kg的多种大型整体钛合金飞机关键结构件试验件及迄今国内尺寸最大的大型整体钛合金
飞机主承
力结构件(图2)并得到装机应用。
2)提出激光快速成形大型钛合金主承力结构件凝固晶粒尺寸、晶粒形态和晶体取向主动
控制新方
法,实现了对零件凝固组织的主动控制(图3)
3)发明激光快速成形双相钛合金“特种热处理”新工艺,获得综合力学性能优异的“特
种双态显微组
织”新形态[图4(a)所示],使激光快速成形钛合金的综合力学性能显著提高,疲劳力纹扩
展速率
降低一个数量级以上[图4(b)],为提高飞机等钛合金主承力构件的使用安全性和损伤容
限性能找到
了一条新路。
4)初步突破激光快速成形TA15钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验
关键技术,
飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件,其中,缺口疲劳极限超过钛合金模锻件
近50%(图
5)、高温持久寿命较模锻件提高4倍(在500℃/480 MPa试验条件下的高温持久寿命,锻造
TA15钛
合金为48.6 h,激光直接成形钛合金长达235 h)、疲劳裂纹扩展抗力提高一个数量级
5)研制出了具有“原创”关键技术、迄今世界最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成
形工程化成套
装备(零件激光熔化沉积真空腔尺寸达4000 mm×3000 mm×2000 mm),初步建立起全套飞
机钛合
金大型整体主承力构件激光快速成形工艺规范和配套应用技术标准,研究成果已在飞机
上得到应用。
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