3D快速成型技術

3D快速成型技術是眾多快速成型技術之一，速成型技術大致可分為7大類，包括立體印刷、疊層實體製造、選擇性雷射燒結、熔融沉積成型、三維焊接、三維列印、數碼累積成型等。

基本介紹

• 中文名：3D快速成型技術
• 分類：7大類

技術特點

“3D快速成型技術”並不等同於3D列印！

技術簡介

它只是眾多快速成型技術之一，速成型技術大致可分為7大類，包括立體印刷、疊層實體製造、選擇性雷射燒結、熔融沉積成型、三維焊接、三維列印、數碼累積成型等。

3D

技術套用

中航雷射技術團隊早在2000年前後，就已經開始投入“3D雷射快速成型技術”研發，起初屬於跟隨美國的學習階段。2005年後，美國從事鈦合金雷射成型製造業務的商業公司Aeromet由於始終無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸複雜鈦合金構件，沒有實現有價值的市場套用而倒閉。但中航雷射技術團隊並未因此放棄，在國家特別是軍方資金的持續支持下，又經過數年奮鬥，終於自主突破了“惰性氣體保護系統”、“熱應力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術難題、生產出結構複雜、尺寸達到4m量級、性能滿足主承力結構要求的產品，具有了商業套用價值。

中航雷射經過10多年理論與技術積累，攻克了對國家具有重大套用價值的耐高溫難變形金屬（包括鈦合金、高強鋼、耐高溫高強鋼）大型結構件的雷射3D焊接快速成形技術。與傳統工藝相比，它節約了90%的十分昂貴的原材料，和相當於材料成本1~2倍的加工費用，創造了製造領域90%超高毛利率的神話。

中航雷射的3D成型技術在財政部進行國有智慧財產權價值評估時，價值超過1億，史無前例。據悉，不久，該項目還有望獲得代表國家技術領域最高榮譽的國家技術發明一等獎。而與國外類似企業對比，無論從綜合技術水平還是技術成熟度看，中航雷射都具有一定優勢。

研究方向

（1）提出“雷射熔覆多元多相過渡金屬矽化物高溫耐磨耐蝕多功能塗層”研究新方向，研究出Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能優異並同時具有“反常磨損-載荷特性”、“反常磨損-溫度特性”、“不粘金屬特性”等性質的過渡金屬矽化物多功能塗層材料新體系10餘個，系列研究論文被《Advanced Coatings & Surface Technology》國際期刊“專題報導”；

（2）在對高推重比航空發動機關鍵摩擦副零部件高溫高速“超常”摩擦學行為深入研究基礎上，研究出含碳量高達9～12%的“雷射熔覆超高碳Cr-Ni-C高溫自潤滑特種耐磨塗層新材料”，在我國某新型航空發動機關鍵熱端高溫耐磨運動副零部件上得到成功套用，獲“國防科學技術獎”二等獎；

（3）在對鈦合金非接觸雷射熔化冶金晶體擇優生長特性深入實驗與理論研究的基礎上，發明“定向生長柱晶鈦合金雷射區域約束熔鑄冶金材料製備與發動機葉片等複雜零件雷射直接成形新技術”，鈦合金高溫持久壽命提高10倍以上；

（4）突破飛機鈦合金等高性能金屬結構件雷射快速成形關鍵技術及關鍵工藝裝備技術，雷射快速成形BT20鈦合金機身關鍵結構件通過裝機試飛前構件全部地面考核並已通過裝機評審即將完成實際裝機套用；將“合金超純淨精煉”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先進高溫合金製備技術與“雷射快速成形技術”有機融合為一體，提出“超純淨徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤”新思路及其近終形零件雷射直接成形製造新技術，成功製造出直徑達450mm的超純淨徑向微細柱晶梯度組織高性能高溫合金渦輪盤件；

（5）發明了“水冷銅模雷射熔煉爐”及難熔、難加工、高活性金屬材料雷射熔鑄材料製備與零件直接成形新工藝”，成功實現W等難熔合金及W/W5Si3等難熔金屬增強超高溫“原位”複合材料及其零件的雷射熔鑄冶金製備與成形製造，為難熔難加工高性能合金材料的製備與複雜零件成形製造找到了一條新的途徑；

（6）發現“高Jackson因子小面晶體”光滑液-固界面及台階生長機制對凝固冷卻速度及界面過冷度的高度不敏感性，對在經典凝固理論中被廣泛接受的“隨凝固冷卻速度或界面過冷度的增加、小面晶體液/固界面結構將由原子尺度光滑向原子尺度粗糙轉變、生長機制由側向生長向連續生長機制轉變”經典凝固理論“著名推論”的適用範圍進行了合理補充。

大型鈦合金結構雷射快速成形技術研究進展

前言

鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、耐蝕性及高溫力學性能好等突出特點，在航空、航天、石化、船舶等工業裝備中用量越來越大而且主要被廣泛用作各種機身加強框、梁、接頭等飛機大型關鍵主承力結構件。以航空套用為例，如波音公司和空客公司研製的新一代民用客機（B一787、A一380）中鈦合金用量已由第三代（B一747、A一300）的不到4%上升到9%以上，第三代殲擊機中鈦合金結構件用量由F-16的約3%增加到了F/A18-ElF、蘇-27的15%以上，而第四代殲擊機F一22中鈦合金結構件用量已占機身結構總重量的41%，事實上，大型整體鈦合金結構件用量的高低已成為衡量飛機等國防裝備技術先進性的重要標誌之一。 　但是，由於受鈦合金本性的影響，採用“鍛造+機械加工”等傳統技術製造這些大型複雜鈦合金關鍵結構件，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬噸級以上重型液壓鍛造工業裝備，而且製造工序繁多、工藝複雜，需要大型鈦合金鑄錠真空熔鑄、大規格鍛坯製備、大型鍛造模具加工等，零件機械加工餘量很大、材料利用率低（一般小於5～10%）、數控加工時間長、製造成本高、生產周期長，嚴重製約了大型鈦合金結構件在先進工業及國防裝備中的廣泛套用，大型鈦合金主承力結構件低成本、短周期成形製造技術，也是制約我國航空裝備研製與生產的技術“瓶頸”之一!

高性能金屬結構件雷射熔化沉積“近淨成形”製造技術，利用快速原型製造（rapid prototype manufacturing，RPM）的基本原理，以金屬粉末（或絲材）為原材料，通過高能雷射束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全緻密、高性能、大型複雜金屬零件的“近終成形”製造（near-net-shape manufacturincl），是一種具有“變革性”意義的數位化、短周期、低成本、先進“近淨成形”製造新技術，在航空、航天等國防裝備研製與生產中具有廣闊的套用前景，與傳統製造技術（鍛壓+機械加工、鍛造+焊接等）相比，具有以下突出優點：

（1）高性能材料製備與複雜零件“近淨成形”製造一體化，無需零件毛坯製備和鍛壓模具加工、無需大型或超大型鍛鑄工業裝備及其相關配套設施；

（2）零件具有晶粒細小、成分均勻、組織緻密的獨特快速凝固組織，綜合力學性能優異；

（3）零件的材料利用率高（可比鍛件提高5倍以上）、機加工量小、數控機加工時間短；

（4）製造成本低、生產製造周期短；

（5）工藝與設備簡單、工序少而短、具有高度柔性與“超常”快速反應能力：

（6）可以方便地實現包括W、Mo、Nb、Ta等各種難熔及Ti、Zr等各種高活性高性能金屬材料零件的材料製備和零件直接“近淨成形”；

（7）可根據零件的工作條件和性能要求，通過靈活改變局部雷射熔化沉積材料的化學成分，實現多材料梯度複合高性能金屬的直接近淨成形製造；

（8）具有對構件設計與批量變化的高度柔性與快速反應能力。

雷射快速成形技術的獨特優點，為克服大型鈦合金結構件上述製造技術缺點提供了一條新途徑，也由於鈦合金結構件雷射快速成形技術對先進國防裝備研製與生產的重要性和廣泛實用性，美國等西方工業及軍事強國對其十分重視，美國國防部先進計畫署（DARPA）及海軍辦公室（ONR）等部門，自1995年來先後實施一系列專門研究計畫，對飛機鈦合金結構件雷射快速成形技術予了重點支持，研究與套用進展迅速。

飛機鈦合金結構件雷射快速成形技術國外研究進展

迄今為止，國外只有美國AeroMet公司（1998年MTS公司出資與賓州州立大學、約翰哈普金斯大學合作成立了專門從事飛機鈦合金結構件雷射快速成形製造的高技術公司，該公司2005年1 2月已破產倒閉），在2002～2005年期間實現了雷射快速成形鈦合金結構件在飛機上的套用。AeroMet公司在美國國防部“軍民兩用科技計畫”、美國空軍“鍛造計畫”、美國陸軍“滿特”計畫等計畫的資助下，同Boeinq、Lockheed-Martin公司等軍用飛機製造商密切合作，開展飛機機身鈦合金複雜結構件雷射快速成形技術研究，2000年9月成功完成對雷射成形鈦合金全尺寸飛機機翼結構件的地面性能考核試驗，構件疲勞強度及靜強度達到了取代傳統鍛造及鑄造飛機鈦合金構件的要求。

2001年起AeroMet公司開始小批量為波音公司生產F/A-18E/F艦載聯合殲擊/攻擊機供應發動機艙推力拉梁（圖1）、機翼轉動摺疊接頭、翼梁、帶筋壁板（圖2）及龍骨梁壁板（圖3）等機翼鈦合金非主承力結構件。2002年制定出了雷射快速成形Ti6A14V產品技術標準，該公司從2002年開始直到2005年12月宣布破產倒閉為止，雷射快速成形製造的Ti6A14V等飛機鈦合金構件已在F-22、F/A18-ElF等飛機上裝機套用。

美國AeroMet公司是世界歷史上第一家掌握飛機鈦合金結構件雷射快速成形技術並成功實現裝機套用的單位，但令人遺憾的是。由於受其雷射快速成形工藝固有缺點的影響，其雷射快速成形Ti6A14V等鈦合金構件即使經過後續熱等靜壓（HIP）或開模鍛造（Open Die Forging）加工，零件材料的疲勞性能始終明顯低於鍛件水平（如圖4所示），致使雷射快速成形鈦合金構件無法實現在飛機關鍵主承力結構件上的套用，限制了雷射快速成形鈦合金結構件在飛機上的套用範圍並最終導致Ae roMet公司於2005年12月宣布破產倒閉。

飛機鈦合金結構件雷射快速成形技術國內研究進展

迄今國內開展過鈦合金雷射快速成形技術研究的單位只有北京有色金屬研究總院、西北工業大學和北京航空航天大學等少數幾家單位，但除北航外，尚未實現在飛機上的裝機套用。

北京航空航天大學雷射材料成形與製備實驗室，在國家自然科學基金“重點”項目及“傑出青年基金”項目、國家“973計畫”專題、國家“863計畫”重點項目等項目的重點支持下，與瀋陽飛機設計研究所等單位產學研緊密結合，白1998年以來一直致力於鈦合金結構雷射快速成形工藝、成套工藝裝備及工程化套用關鍵技術的研究。

“十五”期問，自主研製成功國內首套、具有自主智慧財產權的“自由平面接觸/動態密封/惰性氣氛保護”鈦合金結構件雷射快速成形成套工藝裝備系統。突破了飛機鈦合金次承力結構件雷射熔化沉積製造工藝及裝機套用關鍵技術，雷射熔化沉積製造TC4、TAl5、BT22、TC2等鈦合金室溫及高溫拉伸、高溫持久、高溫蠕變、光滑疲勞、缺El疲勞等力學性能均顯著超過鍛件，2005年來雷射快速成形TAl5、TC4等多種鈦合金結構件，已實現在飛機上的裝機套用，零件材料利用率提高了5倍、製造周期縮短了2/3、製造成本降低了1/2以上。

“十一五”期間，在飛機大型主承力鈦合金結構件雷射熔化沉積製造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩定性及構件質量保障等系列核心關鍵技術上取得了突破性進展：

1.研究出了大型整體鈦合金主承力結構件雷射快速成形新工藝，解決了雷射快速成形大型整體鈦合金主承力結構件變形與開裂的的“技術難題”。

2.提出並掌握了雷射快速成形飛機大型整體鈦合金主承力構件凝固組織晶粒形態及熱處理顯微組織主動控制新方法。

3.認識雷射快速成形飛機鈦合金大型主承力結構件內部缺陷形成機理並突破內部缺陷與質量控制關鍵技術。

4.突破了雷射快速成形飛機鈦合金大型主承力整體結構件組織和內部質量控制關鍵技術，雷射快速成形大型整體鈦合金主承力構件綜合力學性能達到和超過鈦合金模鍛件，其中，缺口疲勞極限超過鈦合金模鍛件40%以上、高溫持久壽命較模鍛件提高400%以上。

5.成功雷射快速成形製造出了零件單件重量逾110kq的多種鈦合金關鍵結構件（部分樣件實物照片見圖5）及迄今國內尺寸最大的大型整體鈦合金飛機主承力結構件。

中國鈦合金3D列印後來居上

我國的鈦合金雷射成形技術起步較晚，直到1995年美國解密其研發計畫3年才開始投入研究。早期基本屬於跟隨美國的學習，在全國多所大學和研究所設立實驗室進行研究。其中，中航雷射技術團隊取得的成就最為顯著。

早在2000年前後，中航雷射技術團隊就已經開始投入“3D雷射焊接快速成型技術”研發，在國家特別是軍方資金的持續支持下，經過數年研發，解決了“惰性氣體保護系統”、“熱應力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術難題、生產出結構複雜、尺寸達到4m量級、性能滿足主承力結構要求的產品，具有了商業套用價值。 中國鈦合金3D印表機製造的大型承力零件　我國已經具備了使用雷射成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，並投入多個國產航空科研項目的原型和產品製造中。成為世界上唯一掌握雷射成形鈦合金大型主承力構件製造並且裝機工程套用的國家。

節約90%的材料和成本

在解決了材料變形和缺陷控制的難題後，中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空研製的一項獨特優勢。由於鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構件在航空領域有著廣泛的套用前景。先進戰機上的鈦合金構件所占比例已經超過20%。

傳統的鈦合金零件製造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易於大尺寸製造，但重量較大且無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。但是零件製造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術都無法製造複雜的鈦合金構件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。 F-22的機身隔框就是由鈦合金鍛件加工而成

雷射鈦合金成形技術則完全解決了這一系列難題，由於採用疊加技術，它節約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要製造專用的模具，原本材料成本1~2倍的加工費，只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金複雜結構件，粗略估計，傳統工藝的成本大約是2500萬元，而雷射3D焊接快速成型技術的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統工藝的5%。

更重要的是，許多複雜結構的鈦合金構建可以通過3D列印的方式一體成型，不僅節省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D列印技術製造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%。

關鍵技術

在航空領域，中國雷射鈦合金成形技術已經得到了廣泛的套用。

F22

在中航成飛和沈飛的下一代戰鬥機的設計研發中，雷射鈦合金成形技術已經得到了廣泛運用。通過這一技術，正在研製的兩型第五代戰鬥機殲-20和殲-31採用鈦合金的主體結構，成功降低了飛機的結構重量，提高了戰機的推重比；依託雷射鈦合金成形造價低、速度快的特點，沈飛在一年之內連續組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰鬥機並且進行試飛。 殲-16原型機的快速製造，很大程度上得益於鈦合金3D列印的低成本和便捷　憑藉雷射鈦合金成形技術，中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列，並為中國航空工業的發展打下了堅實的基礎。