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    基础研究有力推动钛合金大型复杂整体结构件激光直接成型技术取得突破

    日期 2013-04-22   来源:工程与材料科学部   作者:郑雁军 朱旺喜  【 】   【打印】   【关闭

    第6期
    (总第647期)

      北京航空航天大学王华明教授团队取得的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”成果,荣获2012年度国家技术发明一等奖。王华明团队针对难加工大型复杂关键构件激光快速成型技术中的一系列问题,提出了内应力离散控制等新方法,突破了飞机用钛合金大型主承力构件激光成型技术中的瓶颈,成功地制造出大尺寸、复杂结构、性能符合要求的钛合金主承力关键构件。相关研究成果已在我国大型飞机等多型飞机的研制和生产中得到应用,成为世界上率先实现装机工程应用的国家。

      该项成果的产生与国家自然科学基金面上项目、重点项目和杰出青年科学基金项目等的前期资助密切相关,通过基金及时、长期、持续的资助,该研究团队对零件内应力演化规律与变形开裂行为、非平衡凝固组织形成规律及内部缺陷形成机理等基础问题的认识和理解不断深入,并提出了有针对性的微观组织调控和内应力离散控制等新思路,为随后的关键性技术突破奠定了扎实的基础。

      激光快速成型技术,是在计算机辅助设计(CAD)生成的三维实体模型基础上,以金属粉末或丝材为原材料,采用激光束熔化并逐层堆积,最终“堆”出结构复杂构件的技术。激光快速成型完全不同于传统加工中“去除”多余部分的思路,而是直接从零开始“堆积”形成,具有数字化、短周期、低成本和绿色等特点,在诸多领域,尤其是是航空、航天等装备和生产领域有重要的应用前景。

      王华明团队联合沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、西飞公司、中国商用飞机有限责任公司等单位,针对钛合金等难加工大型构件的激光成形,从基础理论、关键技术、应用基础和工程等不同层次上进行了十几年的持续、系统的研究,解决一系列瓶颈问题。该团队制造出了我国飞机中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金主承力关键构件,并且构件综合力学性能达到或超过锻件。该项研究成果已在我国包括大型飞机在内的等多型飞机研制和生产中得到工程应用,并使我国成为迄今世界上唯一表明我国已经突破了飞机钛合金大型主承力构件激光成形技术的瓶颈,成为世界上率先并实现装机工程应用的国家。

      钛合金等大型整体关键结构件在激光快速成形过程中,同时发生着激光/粉末交互作用、移动熔池、非稳态热质传输、超高温度梯度和熔体的快速凝固、缺陷和内应力演化等复杂过程,非常容易发生零件的严重变形与开裂。此外,在大型整体金属构件长时间激光熔化沉积过程中,移动熔池超常冶金动力学及其非平衡快速凝固,直接决定了最终零件的晶粒形态、尺寸、晶体取向、晶界结构、化学成分均匀性等参数,而且表现出对激光快速成形过程的高度敏感性和多变特性。因此,零件内部沉积层与沉积层之间、沉积道与沉积道之间、单一沉积层内部等局部区域很容易产生各种特殊的内部冶金缺陷。

      王华明团队在研究中,提出了大型金属构件激光直接成形过程“内应力离散控制”新方法,初步突破大型金属构件激光快速成形过程零件翘曲变形与开裂这一最关键的瓶颈问题,并形成了大型结构件内部缺陷和质量控制及其无损检验的关键技术,所制备的飞机钛合金构件综合力学性能达到或超过模锻件。例如,激光快速成形的牌号为TA15的钛合金构件,其缺口疲劳极限超过钛合金模锻件32~~53%、高温持久寿命比模锻件提高4倍。特别的是,经后续特种热处理新工艺获得“特种双态组织”后,构件的综合力学性能进一步显著提高,疲劳裂纹扩展速率降低一个数量级以上。

      该团队在材料制备关键问题研究的基础上,还研制出具有原创核心技术、迄今世界最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形成套装备,其激光熔化沉积真空腔尺寸达4000×3000×2000mm3,初步建立起全套飞机钛合金大型整体主承力构件激光快速成形技术标准。该团队通过激光快速成形制备的TA15、TC4、TC21、TC18、TC2等钛合金先进飞机大型整体主承力关键结构件、A-100等超高强度钢起落架等飞机关键构件、TC11、TC17、Ti60等钛合金整体叶盘等航空发动机关键部件等,在大型客机C919等飞机研制和生产中得到成功应用。

      该团队负责人王华明教授指出,变形开裂和内部质量控制等瓶颈问题的有效解决,有赖于对零件内应力演化规律与变形开裂行为及、凝固组织形成规律及内部缺陷形成机理等基础问题的深入认识。王华明教授表示,没有国家自然科学基金长期稳定支持下的扎实基础研究,很难做出这样一项从材料、工艺、装备、标准到工程化应用的综合成果。




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