中國鈦合金3D打印技術(shù)的發(fā)展史

鈦是一種密度只有鋼鐵的一半，強度卻遠勝于絕大多數(shù)合金的材料，被廣泛用于航天航空業(yè)。美國是最早開發(fā)鈦合金3D打印技術(shù)的國家。1985年，美國就在國防部的主導(dǎo)下秘密開始了鈦合金激光成形技術(shù)的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國繼續(xù)研發(fā)這一技術(shù)，并在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰(zhàn)機試驗。3D打印技術(shù)可以追溯到1984年，最早開發(fā)出從數(shù)字數(shù)據(jù)打印出3D物體的技術(shù)并在2年后開發(fā)出第一臺商業(yè)3D印刷機。隨后在整個90年代不斷完善了其基本技術(shù)和規(guī)范，并在21世紀出投入了應(yīng)用。3D打印技術(shù)通過激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產(chǎn)品。其最大的特點是，使用的材料為金屬，“打印”的產(chǎn)品具有極高的力學(xué)性能，能滿足航空航天、模具、汽車、醫(yī)學(xué)、齒科、工藝品等不同行業(yè)的需求。

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(xué)習(xí)，在全國多所大學(xué)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(fù)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(fù)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。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。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%。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(dāng)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(fù)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%。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(fù)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。