目前,我國已經具備了使用雷射成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力,並投入多個國產航空科研項目的原型和產品製造中。成為目前世界上唯一掌握雷射成形鈦合金大型主承力構件製造並且裝機工程應用的國家。
節約90%的材料和成本
在解決了材料變形和缺陷控制的難題後,中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空研製的一項獨特優勢。由於鈦合金重量輕,強度高,鈦合金構件在航空領域有著廣泛的應用前景。目前,先進戰機上的鈦合金構件所佔比例已經超過20%。
傳統的鈦合金零件製造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易於大尺寸製造,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戰機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件製造浪費嚴重,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。而且這兩種技術都無法製造複雜的鈦合金構件,而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。
雷射鈦合金成形技術則完全解決了這一系列難題,由於採用疊加技術,它節約了90%十分昂貴的原材料,加之不需要製造專用的模具,原本相當於材料成本1~2倍的加工費用現在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金複雜結構件,粗略估計,傳統工藝的成本大約是2500萬元,而雷射3D焊接快速成型技術的成本僅130萬元左右,其成本僅是傳統工藝的5%。
更重要的是,許多複雜結構的鈦合金構建可以通過3D列印的方式一體成型,不僅節省了工時,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列印技術製造,在強度相當的情況下,重量最多可以減少40%。
下一代國產飛機的關鍵技術
在航空領域,中國雷射鈦合金成形技術已經得到了廣泛的應用。
在中航成飛和沈飛的下一代戰鬥機的設計研發中,雷射鈦合金成形技術已經得到了廣泛運用。通過這一技術,正在研製的兩型第五代戰鬥機殲-20和殲-31採用鈦合金的主體結構,成功降低了飛機的結構重量,提高了戰機的推重比;依託雷射鈦合金成形造價低、速度快的特點,沈飛在一年之內連續組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰鬥機並且進行試飛。
民用航空製造業也開始應用這一技術。目前,在西北工業大學凝固技術國家重點實驗室下設的雷射製造工程中心,通過雷射立體成型技術為將於2014年投產,並在2016年投入運營的國產客機C919製造了鈦合金翼梁,長度超過5米。
除了製造外,這些部件在出現問題後,也將可以使用同樣的技術進行修復,而無需重新製造,這將可以節省大量用於更換受損部件的費用。
憑藉雷射鈦合金成形技術,中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列,並為中國航空工業的發展打下了堅實的基礎。