中国航空工业突飞猛进的真正原因.doc

中国航空工业突飞猛进的真正原因北航大学王华明教授就飞机钛合金激光快速成型的应用在中科院讲为了方便大家理解，以下为视频内容总结与精炼：技术控可以仔细看看，里面内容很多（还有f22相关）。可能是因为时间紧张，语速非常快，讲的也不是很细致，但对于我们理工科毕业的来说，听着很过瘾，虽然本人技术小白。有耐心的人，一定能挖出许多料。怕有人没耐心看，我做个内容提要。1。2012年奥巴马在卡内基梅隆大学，宣布创立美国“制造创新国家网络”计划，成立15个制造创新中心组成网络，投资10亿美元。经过5个多月的论证最后还是选了“增材制造”作为第一个中心的研究方向。2。一个发动机叶盘，传统工艺制造属于“雕刻”，最后剩下来的只有7%。3。f22钛框，面积5.53平方米。3万吨水压机模锻件能达到0.8平方米，8万吨能达到4.5平方米。4。传统方法，铸锭，制胚，模具，模锻。举例一个很小飞机框，宝钢等温锻造，模具7千万，分摊到每一个零件，模具费就有几十万。又举例美国的一个飞机零件，压成一个饼3吨，到最后加工完成只有144公斤，材料利用率不到5%。5。用他的增材制造，材料利用率80%左右。6。我们打印出的最大的整体结构件5平方米，美国做不了。7。激光打印出的零件，超过或者等同于锻件的性能，抗疲劳强度，比锻件高32-53%，疲劳裂纹扩散速率降低一个数量级。常规性能和锻件差不多，但高温、持久、抗疲劳性能比锻件好很多。8。飞机起落架的超高强度钢，用此方法抗疲劳强度可以比锻件高20%。涡轮叶片用此方法900度疲劳强度可以比第二代单晶高40%。9。应用方面，2005年开始，919是可以说的，其他的都不能说（涉及保密）。919，双曲面窗框，只有欧洲有有家公司能做，周期2年，先付200万美元模具费，而且零件非常贵。而我们55天就做好了，4大件，2件已经装上了飞机。10。翅膀根的受力件，我们做出来136公斤，锻件1706公斤，节省材料90%+，节省了大量材料。10年，已经做完了性能测试，比锻件还要好。11。05年做出图示零件（猜测是军用飞机上所使用），需要5天，现在只要几小时。12。06年某飞机起落架的关键零部件，目前已经批生产，已经受2000多个起落。如果没有这个技术，这个飞机就出不来，可能要推两年。13。某飞机上非常复杂的一个零件，钛合金，一架飞机好几个，现阶段传统技术无法做出来，国内三种方案去研究，两三年不成功，后又去找国外。国外先说能做，看到图纸以后，说做不了。我们临危受命，去年5月19号开始，现在已经装了很多架飞机。14。某飞机零件原来锻胚580公斤，我们做出来36公斤。580公斤锻胚，我们没有这么大的锻造装备，锻不透，性能都不合格。就算加工出来，内应力很大，变形、开裂，成品率非常低。15。（吐槽f22），f22的机翼和机身连接件，*超复杂的钛合金构件，因为太复杂20、30万吨的水压机也做不出来。美国人就分成三个铸件，然后热等静压再焊接，铸件的性能很差，但美国人没办法，f22就是这样用的。（换了一个图片）我们激光成型就可以直接加工出如图示的这么大的零件，这是一个整体（意思是不用分段铸造然后焊接），上面站了一个人，大家可以看出它的尺度。他的性能比锻件还好（意思是当然就甩铸件几条街了），可以毫不谦虚地说，这是迄今世界上性能最好的、结构最复杂的构件，美国人也只能是铸造，锻是不可能的，焊也不可能，因为焊出来的性能不行。这个已经通过了8000小时的疲劳试验，一年多时间。就这个构件，铝合金、钢大家看看能不能做出来，更何况钛合金。16。我们发动机不行，心脏病，未来发动机就是一肚子的整体叶盘，叶片和盘子分开的重量太重。而我们现在可以叶片和盘子同时出来，而且叶片我们可以随心所欲控制组织，让它长成柱状晶，他的高温性能就很好，这里我们让它长成等柱晶，*疲劳度就很好，如果温度再高，我们就可以换材料，它可以做到随心所欲，一种零件可以用很多种材料来做（不知是在同一个零件上的不同部位，还是同一种零件用不同材料）。17。我这里面都没说具体的零件名称，牵涉到保密的大家都不要说，也不要拍照。我尽量做到没有放（图片）零件，只放毛胚，因为零件还是比较敏感。18。这种加工方法，不能包打天下，适合难加工的、高性能的、贵的、别的方法做不出来的零件，优势是成本、周期、性能，这个方面我们走到了美国人前面。19。设备用的激光器都是进口，担心被美国人卡脖子，希望国家在大功率激光器上重视。20。5年前曾经和飞机总设计师聊天，说我们快速设计飞机，都是整体、大型、超长的结构，在2、3个月内就把飞机造出来，不开一套模具，不打一个锻件，不做一个焊缝。也许有人认为这是个梦想，但实际上这已经不是梦想了，我们已经有这样的潜力，只是目前能力有限。（这一段其实是欲言又止，应该是涉及保密，只好把能力藏着掖着了。这件事肯定在做，最近航空大爆发，绝对和他们这个技术有关。）以下为各种相关背景资料：钛合金具有密度低、强度高、耐腐蚀等突出优点,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机及工业重型燃气轮机等装备中的用量越来越大例如,波音787大型客机中钛合金结构件用量已超过机体结构重量的15%,美国第四代战机F-22中钛合金结构件用量更高达41%,高推比航空发动机中钛合金用量达25%40%。同时,为有效降低装备结构重量、提高装备性能、使用寿命和可靠性,飞机、航空发动机等装备均需越来越多地采用钛合金大型整体结构。事实上,大型整体钛合金关键结构件用量的高低,已成为衡量现代飞机和航空发动机等重大装备技术先进性的重要标志之一。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件,工序长、工艺复杂,对制造技术和制造装备的要求高,成形技术难度大,不仅需要万吨级以上的重型液压锻造工业装备、大规格锻坯加工及大型锻造模具制造,而且零件加工去除量大、数控加工时间长、材料利用率低、生产周期长、制造成本高(例如,美国F-22飞机中尺寸最大的Ti6Al4V钛合金整体加强框,零件重量不足144 kg,而其毛坯模锻件重达2796 kg,材料利用率不到4.90%,数控加工周期长达半年以上)。大型整体钛合金关键结构件成形制造技术,被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一钛合金结构件激光快速成形技术是以钛合金粉末为原料,通过激光熔化/快速凝固逐层沉积“生长制造”,由零件CAD模型一步完成全致密、高性能钛合金结构件的“近净成形制造与整体锻造等传统制造技术相比,具有以下特点:1)无需大型锻造工业装备、大型锻造模具制造及大规格锻坯制备加工;2)高性能钛合金材料的制备与大型钛合金零件的“近净成形”一步完成;3)零件机械加工余量小、数控加工时间短、材料利用率高、生产周期短、制造成本低;4)零件具有细小、均匀的激光“原位”冶金/快速凝固组织,综合力学性能优异;5)柔性高、响应快等。该技术是一种“变革性”的数字化、先进“近净成形”技术,为大型钛合金结构件的低成本、短周期、近净成形制造提供了一条新的技术途径,在先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机、重型燃气轮机等重大工业装备的研制生产中具有重要的应用前景。2001年美国AeroMet公司开始为波音公司F/A-18E/F舰载联合歼击/攻击机小批量试制发动机舱推力拉梁、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板等机翼钛合金次承力结构件。2002年制定出了“Ti6Al4V钛合金激光快速成形产品”宇航材料标准(ASM 4999)并于同年在世界上率先实现激光快速成形钛合金次承力结构件在F/A-18等战机上的验证考核和装机应用。然而,令人遗憾的是,由于未能有效解决激光快速成形大型钛合金结构件内部质量和力学性能控制等关键技术难题,其激光快速成形Ti6Al4V等钛合金结构件,即使再经热等静压(HIP)、开模锻造(open-die forging)等后续致密化加工,其疲劳等关键力学性能仍然显著低于钛合金锻件(如图1所示2,优于铸件而低于锻件),难以取代锻件实现其在飞机主承力构件上的应用,AeroMet公司最终于2005年12月被迫停业关闭在解决激光成形过程中零件严重“变形开裂”和内部缺陷和内部组织”控制等长期制约该技术发展的重大“瓶颈难题”上,除北京航空航天大学取得了可喜突破外,国内外迄今一直未能取得实质性进展,致使目前大型金属构件激光快速成形技术研究在国际上落入“低潮”,国际上大部分从事激光快速成形技术研究的单位大多转向零件“激光修复”领域,这种趋势在今年三月美国激光学会(LIA)举行的激光快速成形研讨会上(LAM2009)得到充分体现,激光修复成为与会全部24个报告的主要议题。“十五”期间,北京航空航天大学与沈阳飞机设计研究所等单位“产学研”紧密结合,突破了飞机钛合金次承力结构件激光快速成形工艺及应用关键技术,构件疲劳、断裂韧性等主要力学性能达到钛合金模锻件水平,2005年7月成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒,TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4 种飞机钛合金次承力结构件在3种飞机上的装机应用,成为当时继美国原AeroMet公司之后世界上第二个实现激光快速成形钛合金结构件在飞机上实际装机应用的研究团队。“十一五”期间,北京航空航天大学在飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形工艺研究、工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性进展8,为有效解决激光快速成形钛合金大型整体主承力结构件“变形开裂”预防、“凝固组织和内部缺陷”控制和“力学性能”优化等一直制约该技术发展的 “瓶颈难题”找到了一条新路,主要研究进展为:1)提出原创性的“热应力离散控制”新方法,为有效突破大型钛合金主承力结构件激光快速成形过程零件严重翘曲变形与开裂“瓶颈难题”找到了一条新路,激光快速成形制造出了单件重量逾50200 kg的多种大型整体钛合金飞机关键结构件试验件及迄今国内尺寸最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件(图2)并得到装机应用。2)提出激光快速成形大型钛合金主承力结构件凝固晶粒尺寸、晶粒形态和晶体取向主动控制新方法,实现了对零件凝固组织的主动控制(图3)3)发明激光快速成形双相钛合金“特种热处理”新工艺,获得综合力学性能优异的“特种双态显微组织”新形态图4(a)所示,使激光快速成形钛合金的综合力学性能显著提高,疲劳力纹扩展速率降低一个数量级以上图4(b),为提高飞机等钛合金主承力构件的使用安全性和损伤容限性能找到了一条新路。4)初步突破激光快速成形TA15钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术,飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件,其中,缺口疲劳极限超过钛合金模锻件近50%(图5)