3D打印為鈦合金零部件的加工提供了新的技術(shù)途徑

2017年3月，在上海舉行的亞洲3D打印、增材制造博覽會(huì)上，一件超大尺寸的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片吸引了參觀者的目光。這件933厘米的零件，是目前世界上SLM（鋪粉方式）技術(shù)打印的一次成形尺寸最大的鈦合金零件。葉片重量與同尺寸碳纖維復(fù)合材料葉片相當(dāng)，但側(cè)向性能更好，整體化成形也使得零件的可靠性大大提高。航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件，傳統(tǒng)技術(shù)生產(chǎn)難度極高。金屬3D打印技術(shù)，只需電腦設(shè)計(jì)好打印程序，按切面一層層打印即可。

金屬3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，一是幾乎能制造出任何復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，非傳統(tǒng)技術(shù)可比；同時(shí)，其輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化的特點(diǎn)，又能為材料實(shí)現(xiàn)可觀的減重，這在對(duì)重量“斤斤計(jì)較”的航空航天領(lǐng)域尤其重要。另外，航空航天零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，一旦出現(xiàn)瑕疵或缺損，只能整體更換，可能造成不可估量的損失。但通過金屬3D打印技術(shù)，就可用同一材料將缺損部位修補(bǔ)成完整形狀，修復(fù)后的性能不受影響，大大節(jié)約了時(shí)間和金錢。

“金屬3D打印技術(shù)，為鈦合金零部件的加工提供了新的技術(shù)途徑，也為中國(guó)的航空制造打開了一扇新窗。”金屬3D打印技術(shù)，是因?yàn)樵O(shè)計(jì)歷來都要受限于生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝。拿飛機(jī)設(shè)計(jì)來說，即使有再好的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、再好的綜合性能設(shè)計(jì)，如果沒有一家公司能生產(chǎn)出來，沒有一個(gè)工廠能加工出適配的零部件，再好的設(shè)計(jì)都是白搭——金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)解決和正在解決這一難題。這根鈦合金材質(zhì)的C919中央翼緣條，尺寸3.07米，重量196千克，于2012年1月打印成功，同年通過商飛的性能測(cè)試，2013年成功應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919首架驗(yàn)證機(jī)上。這是國(guó)產(chǎn)機(jī)型首次在設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，利用3D打印技術(shù)制備承力部件，在國(guó)際民機(jī)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中亦屬首次。更重要的是，作為機(jī)翼關(guān)鍵部件，以我國(guó)當(dāng)時(shí)的制造能力，還無法鍛造出這樣超大尺寸的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。而如果向國(guó)外采購(gòu)，又勢(shì)必影響大飛機(jī)的國(guó)產(chǎn)化率。

在C919的設(shè)計(jì)驗(yàn)證階段，中央翼緣條的成功試制貢獻(xiàn)巨大，傳統(tǒng)工藝6個(gè)月才能完成的制造工作，用金屬3D打印技術(shù)耗時(shí)僅僅5天，并且一次成形，一次成功，金屬原料鈦合金涂層粉末，更是幾乎沒有半點(diǎn)浪費(fèi)。金屬3D打印出的蜂窩狀金屬結(jié)構(gòu)體，因良好的力學(xué)性能，輕量化、拓?fù)鋬?yōu)化的特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于對(duì)材料要求極其嚴(yán)苛的航空航天航發(fā)領(lǐng)域。比如，替代傳統(tǒng)技術(shù)所生產(chǎn)的機(jī)翼、機(jī)身材料，在堅(jiān)固結(jié)實(shí)的同時(shí)，大大地減輕航空航天器材自重，設(shè)計(jì)人員就無需再經(jīng)常為減重而不得不犧牲飛機(jī)性能，犧牲武器掛載。目前航空航天航發(fā)領(lǐng)域打印的兩萬余件零部件，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能提升的同時(shí)，均實(shí)現(xiàn)了整體結(jié)構(gòu)減重，最高減重超過60%。