最大3D打印發(fā)動機(jī)鈦合金加強(qiáng)框架研制成功
北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室在王華明院士團(tuán)隊率領(lǐng)下，經(jīng)20余年的不懈研究，在國際上率先為我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國家做出新的貢獻(xiàn)。最新消息稱，已成功研制具有原創(chuàng)核心技術(shù)、世界最大的激光增材制造設(shè)備（成形能力達(dá)7米×4米×3.5米），以及世界最大的16平方米3D打印（某大型轟炸機(jī)）某發(fā)動機(jī)鈦合金加強(qiáng)框。2016年1月18日，王華明院士主持的“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”項目獲得國家技術(shù)發(fā)明一等獎。
根據(jù)國內(nèi)外公開資料推測，王華明院士在我國新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進(jìn)展，采用了激光快速成形雙相鈦合金“ 特種熱處理”新工藝, 激光增材制造出了具有梯度組織和梯度性能的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)鈦合金整體葉盤，具有極為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。新一代高性能軍用飛機(jī)的優(yōu)異作戰(zhàn)性能強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)高推重比航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用，而整體葉盤技術(shù)將發(fā)動機(jī)葉片、輪盤等零件集成設(shè)計為一個整體構(gòu)件，可大幅減少零件數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而提高發(fā)動機(jī)的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)相比，每個整體葉盤可減重約30%。
目前雙性能整體葉盤技術(shù)的制造方法主要采用是焊接法，通過線性摩擦焊等技術(shù)將不同性能的葉片和盤片焊接為一個整體。然而焊接法的最大問題是連接區(qū)域往往會成為整個構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對于強(qiáng)調(diào)高可靠性和長壽命的航空發(fā)動機(jī)高速轉(zhuǎn)動部件來說是個重要隱患。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，人們提出直接在盤體上增材生長出葉片，通過同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤體邊緣預(yù)先加工出凸臺，逐層堆積成鈦合金葉片。
北航王華明院士團(tuán)隊經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金激光增材制造過程中移動熔池凝固存在池底外延生長和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式，通過對熔池凝固兩種主要方式的主動控制即可實現(xiàn)對增材制造金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和力學(xué)性能的主動控制。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長全柱狀晶組織，其具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能，第二種方式可使構(gòu)件獲得各向同性力學(xué)性能優(yōu)異的等軸晶凝固組織。這兩種方式通過人為交替排列，可獲得“鋼筋混凝土狀”混合凝固晶粒組織。這種混合凝固晶粒組織迄今未見國內(nèi)外報道、傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無法制備。該技術(shù)實現(xiàn)了整體葉盤葉片和盤體組織性能的精確控制，特別是整體葉盤的盤體到葉片的關(guān)鍵過渡區(qū)，實現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進(jìn)過渡，達(dá)到了航空發(fā)動機(jī)專家所希望的要求。
北航王華明院士團(tuán)隊還對激光增材制造雙性能整體葉盤技術(shù)后續(xù)熱處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究，經(jīng)特殊熱處理后其塑性變形抗力尤其是抵抗裂紋擴(kuò)展能力極其優(yōu)異，與傳統(tǒng)鍛造鈦合金相比，其疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值提高了61%，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低一個數(shù)量級以上。隨著激光增材制造雙性能整體風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)葉盤技術(shù)的逐漸成熟，高溫合金渦輪盤增材制造技術(shù)有可能成為王華明院士團(tuán)隊下一個重點攻克的技術(shù)難點，有望為我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國家做出新的貢獻(xiàn)。
根據(jù)國內(nèi)外公開資料推測，王華明院士在我國新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進(jìn)展，采用了激光快速成形雙相鈦合金“ 特種熱處理”新工藝, 激光增材制造出了具有梯度組織和梯度性能的先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)鈦合金整體葉盤，具有極為優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。新一代高性能軍用飛機(jī)的優(yōu)異作戰(zhàn)性能強(qiáng)烈依賴于先進(jìn)高推重比航空發(fā)動機(jī)的應(yīng)用，而整體葉盤技術(shù)將發(fā)動機(jī)葉片、輪盤等零件集成設(shè)計為一個整體構(gòu)件，可大幅減少零件數(shù)量，減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，從而提高發(fā)動機(jī)的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)相比，每個整體葉盤可減重約30%。
目前雙性能整體葉盤技術(shù)的制造方法主要采用是焊接法，通過線性摩擦焊等技術(shù)將不同性能的葉片和盤片焊接為一個整體。然而焊接法的最大問題是連接區(qū)域往往會成為整個構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對于強(qiáng)調(diào)高可靠性和長壽命的航空發(fā)動機(jī)高速轉(zhuǎn)動部件來說是個重要隱患。隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展和不斷成熟，人們提出直接在盤體上增材生長出葉片，通過同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤體邊緣預(yù)先加工出凸臺，逐層堆積成鈦合金葉片。
北航王華明院士團(tuán)隊經(jīng)長期研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金激光增材制造過程中移動熔池凝固存在池底外延生長和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式，通過對熔池凝固兩種主要方式的主動控制即可實現(xiàn)對增材制造金屬構(gòu)件凝固晶粒形態(tài)和力學(xué)性能的主動控制。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長全柱狀晶組織，其具有優(yōu)異的高溫持久蠕變性能，第二種方式可使構(gòu)件獲得各向同性力學(xué)性能優(yōu)異的等軸晶凝固組織。這兩種方式通過人為交替排列，可獲得“鋼筋混凝土狀”混合凝固晶粒組織。這種混合凝固晶粒組織迄今未見國內(nèi)外報道、傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無法制備。該技術(shù)實現(xiàn)了整體葉盤葉片和盤體組織性能的精確控制，特別是整體葉盤的盤體到葉片的關(guān)鍵過渡區(qū)，實現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進(jìn)過渡，達(dá)到了航空發(fā)動機(jī)專家所希望的要求。
北航王華明院士團(tuán)隊還對激光增材制造雙性能整體葉盤技術(shù)后續(xù)熱處理技術(shù)進(jìn)行了深入研究，經(jīng)特殊熱處理后其塑性變形抗力尤其是抵抗裂紋擴(kuò)展能力極其優(yōu)異，與傳統(tǒng)鍛造鈦合金相比，其疲勞裂紋擴(kuò)展門檻值提高了61%，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低一個數(shù)量級以上。隨著激光增材制造雙性能整體風(fēng)扇和高壓壓氣機(jī)葉盤技術(shù)的逐漸成熟，高溫合金渦輪盤增材制造技術(shù)有可能成為王華明院士團(tuán)隊下一個重點攻克的技術(shù)難點，有望為我國航空發(fā)動機(jī)技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國家做出新的貢獻(xiàn)。
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