最大3D打印發(fā)動(dòng)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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室在王華明院士團(tuán)隊(duì)率領(lǐng)下，經(jīng)20余年的不懈研究，在國(guó)際上率先為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國(guó)家做出新的貢獻(xiàn)。最新消息稱(chēng)，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?。炒笮娃Z炸機(jī)）某發(fā)動(dòng)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(xiàng)目獲得國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)資料推測(cè)，王華明院士在我國(guó)新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤(pán)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(dòng)機(jī)鈦合金整體葉盤(pán)，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(lài)于先進(jìn)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，而整體葉盤(pán)技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪盤(pán)等零件集成設(shè)計(jì)為一個(gè)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(dòng)機(jī)的推重比和使用可靠性。有資料稱(chēng)較與傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)相比，每個(gè)整體葉盤(pán)可減重約30%。
目前雙性能整體葉盤(pán)技術(shù)的制造方法主要采用是焊接法，通過(guò)線(xiàn)性摩擦焊等技術(shù)將不同性能的葉片和盤(pán)片焊接為一個(gè)整體。然而焊接法的最大問(wèn)題是連接區(qū)域往往會(huì)成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對(duì)于強(qiáng)調(diào)高可靠性和長(zhǎng)壽命的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)是個(gè)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(pán)體上增材生長(zhǎng)出葉片，通過(guò)同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤(pán)體邊緣預(yù)先加工出凸臺(tái)，逐層堆積成鈦合金葉片。
北航王華明院士團(tuán)隊(duì)經(jīng)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金激光增材制造過(guò)程中移動(dòng)熔池凝固存在池底外延生長(zhǎng)和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式，通過(guò)對(duì)熔池凝固兩種主要方式的主動(dòng)控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)控制。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長(zhǎng)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(guò)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(jiàn)國(guó)內(nèi)外報(bào)道、傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無(wú)法制備。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整體葉盤(pán)葉片和盤(pán)體組織性能的精確控制，特別是整體葉盤(pán)的盤(pán)體到葉片的關(guān)鍵過(guò)渡區(qū)，實(shí)現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進(jìn)過(guò)渡，達(dá)到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)家所希望的要求。
北航王華明院士團(tuán)隊(duì)還對(duì)激光增材制造雙性能整體葉盤(pán)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(mén)檻值提高了61%，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)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(pán)技術(shù)的逐漸成熟，高溫合金渦輪盤(pán)增材制造技術(shù)有可能成為王華明院士團(tuán)隊(duì)下一個(gè)重點(diǎn)攻克的技術(shù)難點(diǎn)，有望為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國(guó)家做出新的貢獻(xiàn)。
根據(jù)國(guó)內(nèi)外公開(kāi)資料推測(cè)，王華明院士在我國(guó)新一代重型和中型隱身戰(zhàn)斗機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤(pán)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(dòng)機(jī)鈦合金整體葉盤(pán)，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(lài)于先進(jìn)高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，而整體葉盤(pán)技術(shù)將發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、輪盤(pán)等零件集成設(shè)計(jì)為一個(gè)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(dòng)機(jī)的推重比和使用可靠性。有資料稱(chēng)較與傳統(tǒng)的榫齒連接結(jié)構(gòu)相比，每個(gè)整體葉盤(pán)可減重約30%。
目前雙性能整體葉盤(pán)技術(shù)的制造方法主要采用是焊接法，通過(guò)線(xiàn)性摩擦焊等技術(shù)將不同性能的葉片和盤(pán)片焊接為一個(gè)整體。然而焊接法的最大問(wèn)題是連接區(qū)域往往會(huì)成為整個(gè)構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)，這對(duì)于強(qiáng)調(diào)高可靠性和長(zhǎng)壽命的航空發(fā)動(dòng)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件來(lái)說(shuō)是個(gè)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(pán)體上增材生長(zhǎng)出葉片，通過(guò)同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤(pán)體邊緣預(yù)先加工出凸臺(tái)，逐層堆積成鈦合金葉片。
北航王華明院士團(tuán)隊(duì)經(jīng)長(zhǎng)期研究發(fā)現(xiàn)，鈦合金激光增材制造過(guò)程中移動(dòng)熔池凝固存在池底外延生長(zhǎng)和熔池表面異質(zhì)形核兩種主導(dǎo)凝固方式，通過(guò)對(duì)熔池凝固兩種主要方式的主動(dòng)控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)控制。第一種熔池方式可使構(gòu)件獲得定向生長(zhǎng)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(guò)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(jiàn)國(guó)內(nèi)外報(bào)道、傳統(tǒng)冶金鍛鑄技術(shù)也無(wú)法制備。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了整體葉盤(pán)葉片和盤(pán)體組織性能的精確控制，特別是整體葉盤(pán)的盤(pán)體到葉片的關(guān)鍵過(guò)渡區(qū)，實(shí)現(xiàn)了組織性能的平穩(wěn)漸進(jìn)過(guò)渡，達(dá)到了航空發(fā)動(dòng)機(jī)專(zhuān)家所希望的要求。
北航王華明院士團(tuán)隊(duì)還對(duì)激光增材制造雙性能整體葉盤(pán)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(mén)檻值提高了61%，而疲勞裂紋擴(kuò)展速率降低一個(gè)數(shù)量級(jí)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(pán)技術(shù)的逐漸成熟，高溫合金渦輪盤(pán)增材制造技術(shù)有可能成為王華明院士團(tuán)隊(duì)下一個(gè)重點(diǎn)攻克的技術(shù)難點(diǎn)，有望為我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)趕超發(fā)達(dá)國(guó)家做出新的貢獻(xiàn)。
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