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合金的材料，被廣泛用于航天航空業(yè)。美國是最早開(kāi)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下秘密開(kāi)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機試驗。3D打印技術(shù)可以追溯到1984年，最早開(kāi)發(fā)出從數字數據打印出3D物體的技術(shù)并在2年后開(kāi)發(fā)出第一臺商業(yè)3D印刷機。隨后在整個(gè)90年代不斷完善了其基本技術(shù)和規范，并在21世紀出投入了應用。3D打印技術(shù)通過(guò)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(diǎn)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(mǎn)足航空航天、模具、汽車(chē)、醫學(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(kāi)始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學(xué)習，在全國多所大學(xué)和研究所設立實(shí)驗室進(jìn)行研究。其中，中航激光技術(shù)團隊取得的成就最為顯著(zhù)。早在2000年前后，中航激光技術(shù)團隊就已經(jīng)開(kāi)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支持下，經(jīng)過(guò)數年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護系統”、“熱應力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長(cháng)控制”等多項世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結構復雜、尺寸達到4m量級、性能滿(mǎn)足主承力結構要求的產(chǎn)品，具有了商業(yè)應用價(jià)值。
  目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過(guò)12平方米的復雜鈦合金構件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)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件制造并且裝機工程應用的國家。傳統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(wú)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。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構件在航空領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。目前，先進(jìn)戰機上的鈦合金構件所占比例已經(jīng)超過(guò)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)，它節約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專(zhuān)用的模具，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現在只需要原來(lái)的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結構件，粗略估計，傳統工藝的成本大約是2500萬(wàn)元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬(wàn)元左右，其成本僅是傳統工藝的5%。但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會(huì )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(wàn)噸大型水壓機只能鍛造不超過(guò)0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬(wàn)噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過(guò)4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無(wú)法制造復雜的鈦合金構件，而焊接則會(huì )遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。