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中航工业总经理林左鸣专程考察北京航空航天大学激光材料制备与成形实验室。航空科学与技术国家实验室首席科学家王华明教授就大型整体钛合金结构件激光快速成形技术研究进展及在飞机、发动机领域的应用前景，向林左鸣一行做了详细汇报。林左鸣高度赞赏北航取得的国际领先研究成果，并表示中航工业将与北航加强合作，全力支持并加快该技术的研究和工程化应用进程。







创新：5年突破飞机结构件激光快速成形技术并实现在飞机上的应用


　　王华明带领他的团队从2000年开始攻关，不到5年时间突破了钛合金等高性能金属结构件激光快速成形关键技术及关键成套工艺装备技术，使我国跻身于国际上少数几个全面掌握钛合金结构件激光快速成形技术的国家行列，并成为继美国之后世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及在飞机上装机应用技术的国家。


　　王华明所采用的激光快速成型技术非常奇妙。这是一种“变革性”的低成本、快速、高效、数字化大型金属结构件先进制造技术，是国际材料工程与先进制造技术交叉学科前沿领域的热点研究方向。过去，飞机上主体结构等大型结构件的生产采用传统的锻造和机械加工等方法，耗时费力，总花费可能高达几十个亿，光大型模具的加工就要用一年以上的时间，要动用几万吨级的水压机来工作，要大量供电，甚至需要建电厂。模具加工出来后，再用它锻造出一个大型结构件的毛坯，然后继续加工各部位的细节，等到最后成型，几乎90％的材料都被切削、浪费掉了。总之，传统的方法工序繁多、工艺复杂、材料利用率低、机械加工量大、数控加工效率低、制造成本高、生产周期长。王华明则走出了一条与传统的方法截然不同的道路，是通过计算机控制，用激光将合金粉末融化，一层层堆积起来，“生长”出一个合金部件。这只需要一套激光设备来完成制造过程，大小部件都可以通用，任意复杂形状的零件，在这里都可以游刃有余地制造。以前两三年才能做好的复杂的大件，现在几天时间就能完成，而且只需两三个人在实验室里操作，还不会造成材料浪费。现在，王华明的激光合成零件已经实实在在地装上了飞机。




王华明，男，1962年5月出生，汉族，四川省合江县人，中共党员。1989年毕业于中国矿业大学北京研究生部矿山机械工程摩擦学专业，获博士学位。1992年获德国洪堡基金会“洪堡基金”，并于1992.10～1994.11赴德国埃尔兰-根纽伦堡大学金属科学与技术研究所进行国际合作研究（“洪堡学者”），回国后，到北京航空航天大学材料学院任教，先后任处理专业教研室科研副主任、主任、材料加工工程学科部主任、材料学院材料加工工程系主任、北京市特种功能能材料与表面技术重点实验室副主任等职。1991年在中国国科学院金属研究所破格晋升副研究员，1995年在北京航空航天大学破格晋升教授，1996年被评为博士生导师，现任北航材料加工工程学科责任教授、北航《蓝天计划》“蓝天学者”特聘教授。2006年受聘为北京航空航天大学材料科学与工程学院“长江学者特聘教授”。




从事“高性能航空金属材料激光制备科学与成形制造技术”研究。主持“国家杰出青年基金”、“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划项目”、“国防基础科研重大项目”等十余项。在国家上提出“元多相难熔金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料”研究新领域，研究成果在“昆仑”、“太行”等航空发动机上通过装机应用。突破飞机大型钛合金整体主承力构件激光快速成形关键技术，研制出迄今世界最大、拥有“原创”系列核心关键技术的飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，制造出迄今中国最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件并通过装机评审，使我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家！获“国防科学技术一等奖”等多项奖励，授权“发明专利”8项，在影响因子大于1的SCI收录国际期刊上发表论文60余篇。



王华明教授主要从事以下几个方向的研究：


（1）提出“激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层”研究新方向，研究出 Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能优异并同时具有“反常磨损-载荷特性”、“反常磨损-温度特性”、“不粘金属特性”等性质的过渡金属硅化物多功能涂层材料新体系10余个，系列研究论文被《Advanced Coatings & Surface Technology》国际期刊“专题报道”；


（2）在对高推重比航空发动机关键摩擦副零部件高温高速“超常”摩擦学行为深入研究基础上，研究出含碳量高达9～12%的“激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温自润滑特种耐磨涂层新材料”，在我国某新型航空发动机关键热端高温耐磨运动副零部件上得到成功应用，获 “国防科学技术奖”二等奖；


（3）在对钛合金非接触激光熔化冶金晶体择优生长特性深入实验与理论研究的基础上，发明“定向生长柱晶钛合金激光区域约束熔铸冶金材料制备与发动机叶片等复杂零件激光直接成形新技术”，钛合金高温持久寿命提高10倍以上；


（4）突破飞机钛合金等高性能金属结构件激光快速成形关键技术及关键工艺装备技术，激光快速成形BT20钛合金机身关键结构件通过装机试飞前构件全部地面考核并已通过装机评审即将完成实际装机应用；将“合金超纯净精炼”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先进高温合金制备技术与“激光快速成形技术”有机融合为一体，提出“超纯净径向微细柱晶梯度组织高性能高温合金涡轮盘”新思路及其近终形零件激光直接成形制造新技术，成功制造出直径达450mm的超纯净径向微细柱晶梯度组织高性能高温合金涡轮盘件；


（5）发明了 “水冷铜模激光熔炼炉”及难熔、难加工、高活性金属材料激光熔铸材料制备与零件直接成形新工艺”，成功实现W等难熔合金及W/W5Si3等难熔金属增强超高温“原位”复合材料及其零件的激光熔铸冶金制备与成形制造，为难熔难加工高性能合金材料的制备与复杂零件成形制造找到了一条新的途径；


（6）发现“高 Jackson因子小面晶体”光滑液-固界面及台阶生长机制对凝固冷却速度及界面过冷度的高度不敏感性，对在经典凝固理论中被广泛接受的“随凝固冷却速度或界面过冷度的增加、小面晶体液/固界面结构将由原子尺度光滑向原子尺度粗糙转变、生长机制由侧向生长向连续生长机制转变”经典凝固理论“著名推论”的适用范围进行了合理补充。


2000年来主持“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划课题”、“教育部跨世纪优秀人才计划基金”、“总装武器装备重点基金”、“国防基础科研重点项目”等科研项目10余项，发表论文被SCI及EI收录137篇次、授权与申请发明专利7项、获得“北京市教学成果一等奖”及“国家教学成果二等奖”。




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四代机必备---何谓钛合金激光快速成形技术?






一、引言

钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能好等突出特点，在航空、航天、石化、船舶等工业装备中用量越来越大而且主要被广泛用作各种机身加强框、梁、接头等飞机大型关键主承力结构件。以航空应用为例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B一787、A一380)中钛合金用量

已由第三代(B一747、A一300】的不到4％上升到9％以上，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F一1 6的约3％增加到了F／A1 8-ElF、苏一27的15％以上，而第四代歼击机F一22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41％『1—71，事实上，大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。

但是，由于受钛合金本性的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造这些大型复杂钛合金关键结构件，不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备，而且制造工序繁多、工艺复杂，需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等，零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5～10％)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长，严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用，大型钛合金主承力结构件低成本、短周期成形制造技术，也是制约我国航空装备研制与生产的技术“瓶颈”之一!

高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”制造技术，利用快速原型制造(raDid prototypemanufactumq，RPM)的基本原理，以金属粉末(或丝材)为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造(near—net—shape manufacturincl)，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本、先进“近净成形”制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景，与传统制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比，具有以下突出优点：

(1)高性能材料制备与复杂零件“近净成形”制造一体化，无需零件毛坯制备和锻压模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施；

(2)零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织，综合力学性能优异；

(3)零件的材料利用率高(可比锻件提高5倍以上)、机加工量小、数控机加工时间短；

(4)制造成本低、生产制造周期短；

(5)工艺与设备简单、工序少而短、具有高度柔性与“超常”快速反应能力：

(6)可以方便地实现包括W、Mo、Nb、Ta等各种难熔及Ti、Zr等各种高活性高性能金属材料零件的材料制备和零件直接“近净成形”；

(7)可根据零件的工作条件和性能要求，通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分，实现多材料梯度复合高性A月tid,金属的直接近净成形制造；

(8)具有对构件设计与批量变化的高度柔性与快速反应能力。激光快速成形技术的独特优点，为克服大型钛合金结构件上述制造技术缺点提供了一条新途径，

也由于钛合金结构件激光快速成形技术对先进国防装备研制与生产的重要性和广泛实用性，美国等西方工业及军事强国对其十分重视，美国国防部先进计划署(DARPA)及海军办公室(ONR)等部门，自1995年来先后

实施一系列专门研究计划，对飞机钛合金结构件激光快速成形技术予了重点支持，研究与应用进展迅速。

二、飞机钛合金结构件激光快速成形技术国外研究进展

迄今为止，国外只有美国AeroMet公司(1998年MTS公司出资与宾州外『立大学、约翰哈普金斯大学合作成立了专门从事飞机钛合金结构件激光快速成形制造的高技术公司，该公司2005年1 2月已破产倒闭)，在2002～2005年期间实现了激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用。Ae roMet公司在美国国防部

“军民两用科技计划”、美国空军“锻造计划”、美国陆军“满特”计划等计划的资助下，同Boeinq、Lockheed—Martin公司等军用飞机制造商密切合作，开展飞机机身钛合金复杂结构件激光快速成形技术研究，2000年9月成功完成对激光成形钛合金全尺寸飞机机翼结构件的地面性能考核试验，构件疲劳强度及静强度达到了取代传统锻造及铸造飞机钛合金构件的要求。2001年起AeroMet公司开始小批量为波音公司生产F／A一8E／F舰载联合歼击／攻击机供应发动机舱推力拉梁(图1)、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板(图2)及龙骨梁壁板(图3)等机翼钛合金非主承力结构件。2002年制定出了激光快速成形i6A14V产品技术标准，该公司从2002年开始直到2005年12月宣布破产倒闭为止，激光快速成形制造的Ti6A14V等飞机钛合金构件已在F一22、F／A18一ElF等飞机上装机应用。









美国AeroMet公司是世界历史上第一家掌握飞机钛合金结构件激光快速成形技术并成功实现装机应用的单位，但令人遗憾的是。由于受其激光快速成形工艺固有缺点的影响，其激光快速成形Ti6A14V等钛合金构件即使经过后续热等静压(HIP)或开模锻造(Open Die For．qinq)加工，零件材料的疲劳性能始终明显低于锻件水平(如图4所示)，致使激光快速成形钛合金构件无法实现在飞机关键主承力结构件上的应用，限制了激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用范围并最终导致Ae roMet公司于2005年12月宣布破产倒闭






三、飞机钛合金结构件激光快速成形技术国内研究进展

迄今国内开展过钛合金激光快速成形技术研究的单位只有北京有色金属研究总院、西北工业大学和北京航空航天大学等少数几家单位，但除北航外，尚未实现在飞机上的装机应用。

北京航空航天大学激光材料成形与制备实验室，在国家自然科学基金“重点”项目及“杰出青年基金”项目、国家“973计划”专题、国家“863计划”重点项目等项目的重点支持下，与沈阳飞机设计研究所等单位产学研紧密结合，白1 998年以来一直致力于钛合金结构激光快速成形工艺、成套工艺装备及工程化应用关键技术的研究。

“十五”期问，自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触／动态密封／惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统。突破了飞机钛合金次承力结构件激光熔化沉积制造工艺及装机应用关键技术，激光熔化沉积制造TC4、TAl5、BT22、TC2等钛合金室温及高温拉伸、高温持久、高温蠕变、光滑疲劳、缺El疲劳等力学性能均显著超过锻件，2005年来激光快速成形TAl5、TC4等多种钛合金结构件，已实现在飞机上的装机应用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2／3、制造成本降低了1／2以上。

“十一五”期间，在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、成套装备、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心关键技术上取得了突破性进展：

‘研究出了大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形新工艺，解决了激光快速成形大型整体钛合金主承力结构件变形与开裂的的“技术难题”。

+提出并掌握了激光快速成形飞机大型整体钛合金主承力构件凝固组织晶粒形态及热处理显微组织主动控制新方法。

+认识激光快速成形飞机钛合金大型主承力结构件内部缺陷形成机理并突破内部缺陷与质量控制关键技术。

。突破了激光快速成形飞机钛合金大型主承力整体结构件组织和内部质量控制关键技术，激光快速成形大型整体钛合金主承力构件综合力学性能达到和超过钛合金模锻件，其中，缺1：3疲劳极限超过钛合金模锻件40％以上、高温持久寿命较模锻件提高400％以上。

。成功激光快速成形制造出了零件单件重量逾1 10kq的多种钛合金关键结构件(部分样件实物照片见图5)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。

四、结束语

采用激光快速技术制造飞机大型整体钛合金结构件，具有无需大型锻造装备及大型锻造模具，材料利用率高，加工量小，成本低，周期短，柔性高效等突出优点，但激光快速成形过程中零件变形开裂预防、内部质量(内部缺陷、晶粒及显微组织等)及力学性能控制、工程化成套装备与过程控制、应用技术标准等是制约飞机大型整体钛合金结构件激光快速技术走向工程应用的关键技术难题。





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我国钛合金激光快速成形技术的一些具体应用




应用成果之一我国钛合金技术已经在11B上成功应用了







应用成果之二我国各型航空发动机（当然包括四代动力了）



中航工业与北航签署战略合作框架协议
http://news.buaa.edu.cn/dispnews ... mp;s_table=news_txt

签署仪式上，中航工业成都发动机有限公司刘建总工程师与我校航空科学与技术国家实验室副主任陶智教授，签署开展微小发动机产学研合作的框架协议；中航工业商用飞机发动机有限公司张健总经理与我校航空科学与技术国家实验室适航中心执行主任丁水汀教授，签署开展适航技术研究合作的框架协议；中航工业贵州黎阳航空发动机公司肖波总工程师与我校材料科学与工程学院王华明教授，签署开展先进中推涡扇发动机、风扇钛合金整体叶盘、激光近净成形及应用关键技术研究协议。为了进一步深入学习航空发动机之父吴大观同志的先进事迹，高建设副总经理代表中航工业向我校赠送了《我的中国心》一书，党委常务副书记谭振亚代表我校接受赠书。




应用成果之三国产大飞机C919大型客机


http://finance.sina.com.cn/roll/20091226/01427157765.shtml

据记者了解，C919大型客机机头工程样机运用了大量先进制造技术，不仅首次全部采用模块化定义规范开展全三维数字化设计和模块化管理，还利用PDM数据管理系统开展在线全关联设计，使得协调便捷快速，并且采用了大量先进制造工艺和先进材料，其中主风挡窗框采用钛合金激光成型。





应用成果之四年底即将首飞的重点工程“歼XX”战机


年底即将试飞的J-XX飞机上某重要承力部件，技术冻结状态就是采用激光快速成形技术制造，根本没考虑锻件替补备选，因为目前国内还没有制造如此大尺度整体钛合金构件的模锻能力






总装备部科技委副主任丛日刚将军视察激光快速成形实验室


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相关技术论文




激光熔化沉积快速成形TA15钛合金的力学性能


钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点，在航空、航天、石化、船舶等工业装备中用量越来越大，以航空应用为例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机（B787、A380）中钛合金用量已由第三代（B747、A300）的不到4% 上升到10% 以上，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F16 的约3% 增加到了F/A18- E/F、苏-27的15% 以上，而第四代歼击机F22 中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41%[1-7]。但是，由于受钛合金本性的影响，采用“锻造＋机械加工”等传统技术制造这些复杂钛合金结构件，存在制造工艺复杂、工序多、生产制造成本高、材料利用率低、生产周期很长等突出缺点，制约了钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用，并严重影响国防装备的快速研制、快速生产与快速装备使用。

    激光熔化沉积（L M D）快速成形技术，利用快速原型制造（RPM）技术在无需任何模具和工装条件下快速制造任意复杂形状零件的全数字化快速制造基本原理，以新材料快速凝固激光冶金制备技术为手段，通过金属材料的激光逐层熔化沉积，直接由零件CAD模型一步完成高性能“近终形”复杂金属零件的快速成形制造，是一种代表着先进制造技术发展方向、将高性能结构材料制备与“近终形”复杂零件直接成形有机融为一体的无模、非接触、数字化成形制造新技术，对上述工业装备中钛合金等高性能关键金属结构件的短周期、低成本成形制造具有十分重要的意义[5-7]。美国AeroMet 公司同波音、洛克希德· 马丁等飞机制造商紧密合作，采用激光熔化沉积快速成形技术生产的Ti-6Al-4V 等钛合金关键结构件，已在F-18E/F、F-22 等飞机及导弹等武器装备中得到应用考核[5-9]。

    迄今，国内外尚未见有关激光熔化沉积快速成形钛合金力学性能的系统研究报道。本项目组“产学研”紧密结合，不到4年时间就突破了钛合金结构件激光熔化沉积快速成形工艺及应用关键技术，成功实现了激光熔化沉积制造TA15钛合金结构件在飞机上的应用，使我国成为继美国之后世界上第二个掌握激光熔化沉积快速成形飞机钛合金次承力结构件装机应用技术的国家[5-7，10-12]。本文简要报道激光熔化沉积TA15钛合金的拉伸、高温持久及疲劳等力学性能。

    试验方法

    采用真空非接触等离子熔炼/氩气雾化T A15 钛合金粉末（粒度-140+300 目）为原料，通过同轴气动送粉激光熔化沉积快速成形技术，在北京航空航天大学激光材料加工与制造技术实验室自行研制、具有自主知识产权的“平面接触－动态密封－惰性气氛保护” 钛合金结构件激光熔化沉积快速成形成套装备上进行[10-12]。该系统包括8kW横流连续CO2激光器、三轴联动四坐标数控激光加工机床、专用送粉器、集粉末输送与汇聚－激光束聚焦－惰性气体输送－气氛保护与密封－系统冷却－高度控制等多种功能于一体的“激光快速成形多功能集成光头”及“自由平面接触/ 动态密封/ 惰性气氛保护激光熔化沉积腔”等核心单元[10-12]。分别在750℃、770℃、 800℃及830℃等4个温度下对激光熔化沉积快速成形TA15钛合金进行了退火热处理，以系统研究激光熔化沉积成形后退火热处理温度及退火热处理时间对激光熔化沉积成形TA15钛合金显微组织及力学性能的影响。采用标准试样分别测试了激光熔化沉积快速成形TA15钛合金零件的室温拉伸、500℃高温拉伸及500℃/471MPa高温持久性能以及光滑试样(Kt =1)与缺口试样（Kt=3）的轴向拉- 拉疲劳性能。室温拉伸、高温拉伸、高温持久、光滑及缺口疲劳等力学性能标准测试试样分别取自厚度为6mm 和16mm的激光熔化沉积TA15 钛合金板材及直径为15mm的棒材。

    试验结果

    1 激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金的显微组织

    激光熔化沉积成形态（沉积态）T A15 钛合金具有典型的编织状β转变近α 钛合金组织，在750 ～830℃范围内对进行20 ～ 120m i n退火热处理后，其显微组织没有明显变化，如图1 所示。

    2 激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金室温拉伸力学性能

由表1 可见，激光熔化沉积快速成形TA15钛合金板材具有优异的室温拉伸力学性能，其抗拉强度平均达到1004MPa、延伸率平均达到16.2%，相当于热轧退火TA15钛合金板材室温拉伸性能实测值（抗拉强度1000MPa、延伸率13%）；在770～ 830℃范围内进行退火热处理，对激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金板材室温拉伸力学性能没有明显影响；在6 ～ 16mm范围内，激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金板材厚度变化对其室温拉伸力学性能没有显著影响，其力学性能对壁厚敏感性小。

    分别测试了激光熔化沉积快速成形TA15钛合金板材纵向（沉积增高方向）及横向的力学性能，结果表明（见表2），激光熔化沉积快速成形TA15钛合金板材的室温拉伸力学性能表现出一定的各向异性，其纵向（沉积增高方向）塑性高于横向，横向强度略高于纵向。

   3 激光熔化沉积快速成形TA15钛
   合金的高温拉伸力学性能激光熔化沉积态及经800℃退火热处理后，激光熔化沉积快速成形TA15钛合金与热轧退火TA15钛合金的500℃高温拉伸试验结果如表3 所示，可见，激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金具有优良的高温拉伸性能，其高温拉伸性能与热轧退火TA15钛合金相当。

    4 激光熔化沉积快速成形TA15钛合金的高温持久性能

    从表4 中可见，激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有特别优异的高温持久性能，500℃/471MPa条件下，激光熔化沉积快速成形TA15棒状试样的平均持久寿命达到113h 以上，而热轧退火TA15钛合金的持久寿命只有约47h，激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金高温。持久寿命是热轧退火TA15钛合金的2.4 倍，持久寿命提高140% 以上。

   5 激光熔化沉积快速成形

   TA15钛合金的疲劳性能疲劳性能尤其是缺口疲劳性能是飞机钛合金结构件最重要的力学性能，激光快速成形钛合金零件疲劳性能的优劣（很重要的是与钛合金锻件相比），对激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用前景至关重要。

   本课题进行了激光熔化沉积快速成形TA15钛合金与锻造TA15钛合金及热轧厚板T A15 钛合金的光滑试样（Kt=1）及缺口试样（Kt=3）疲劳性能对比考核试验，在等幅应力条件下采用轴向拉－拉循环加载测试S - N 曲线，应力比R =0.06，试验结果如图2 所示，从图2 可以看出，激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金具有优异的疲劳性能，其光滑试样疲劳性能与锻造及热轧钛合金的水平相当，而缺口试验疲劳性能显著超过钛合金锻件。

   6 激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金的断裂韧性

   采用厚度为25mm 的标准紧凑拉伸试样，测试了激光熔化沉积快速成形态及特种热处理态TA15钛合金的断裂韧性，测试的结果表明（如表5 所示）：激光熔化沉积快速成形态TA15钛合金的断裂韧性没有方向性，其纵向与横向的断裂韧性值均约50MPa·m1/2，而经特种热处理获得双态组织后，激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金断裂韧性平均值达到78MPa·m1/2，较激光熔化沉积态T A15 钛合金的断裂韧性值大幅度提高。

   结论

  （1）激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有优异的室温及高温拉伸力学性能，其室温拉伸力学性能优于热轧退火TA15钛合金，500℃ 高温拉伸性能与热轧退火TA15 钛合金相当；

  （2） 激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金的室温拉伸力学性能表现出一定的各向异性，横向强度略大于纵向，纵向塑性略高于横向；

  （3）激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有十分优异的高温持久性能，在500℃ /471M P a 条件下的高温持久寿命达热轧退火TA15钛合金的2 倍以上；

  （4）激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有优异的疲劳性能，其光滑试样疲劳性能与锻造及热轧钛合金厚板相当，而缺口试验疲劳性能显著优于钛合金锻件。


参考文献

[1] 赵振业，赵英涛，何鲁林，等．先进飞机结构材料的发展．材料工程，1995，1:4-8，11.
[2] 曹春晓. 航空用钛合金的发展概况．航空科学技术，2005，4: 3-6.
[3] 彭艳萍，曾凡昌，王俊杰，等．国外航空钛合金的发展应用及其特点分析．材料工程，1997，10: 3-6.
[4] 赵永庆，魏建峰，高占军，等．钛合金的应用和低成本制造技术．材料导报，2003，17(4):5-7.
[5] 王华明，张凌云，李安，等．金属材料快速凝固激光加工与成形．北京航空航天大学学报，2004，30(10):962-967.
[6] 王华明，张凌云，李安，等．先进材料与高性能零件快速凝固激光加工研究进展．世界科技研究与发展，2004，26(3):27-31.
[7] 王华明. 航空高性能金属结构件激光熔化沉积快速成形研究进展．航空制造技术，2005，12: 26-28.
[8] Flinn ED.Laser forming yieldslarge titanium parts.Aerospace America，1999，37(11):22-23.
[9]Arcella FG，Abbott DH， HouseMA.Rapid laser forming of titaniumstructures. PM98:1998 Powder MetallurgyWorld Congress & Exhibition，Granada，Spain，1998.
[10] 王华明，先进航空金属结构材料制备与成形制造技术研究与进展，先进制造与材料应用技术，2005（1）：10-14.
[11] 李安，张凌云，张立强，等．高性能钛合金零件激光快速成型的研究，先进制造与材料应用技术，2004（2）：7-14.
[12] 王华明，张凌云，李安，等．飞机钛合金结构件激光熔化沉积快速成形技术的应用研究进展，先进制造与材料应用技术，

http://blog.sina.com.cn/s/blog_5d9687e80100hjf2.html中航工业总经理林左鸣专程考察北京航空航天大学激光材料制备与成形实验室。航空科学与技术国家实验室首席科学家王华明教授就大型整体钛合金结构件激光快速成形技术研究进展及在飞机、发动机领域的应用前景，向林左鸣一行做了详细汇报。林左鸣高度赞赏北航取得的国际领先研究成果，并表示中航工业将与北航加强合作，全力支持并加快该技术的研究和工程化应用进程。







创新：5年突破飞机结构件激光快速成形技术并实现在飞机上的应用


　　王华明带领他的团队从2000年开始攻关，不到5年时间突破了钛合金等高性能金属结构件激光快速成形关键技术及关键成套工艺装备技术，使我国跻身于国际上少数几个全面掌握钛合金结构件激光快速成形技术的国家行列，并成为继美国之后世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及在飞机上装机应用技术的国家。


　　王华明所采用的激光快速成型技术非常奇妙。这是一种“变革性”的低成本、快速、高效、数字化大型金属结构件先进制造技术，是国际材料工程与先进制造技术交叉学科前沿领域的热点研究方向。过去，飞机上主体结构等大型结构件的生产采用传统的锻造和机械加工等方法，耗时费力，总花费可能高达几十个亿，光大型模具的加工就要用一年以上的时间，要动用几万吨级的水压机来工作，要大量供电，甚至需要建电厂。模具加工出来后，再用它锻造出一个大型结构件的毛坯，然后继续加工各部位的细节，等到最后成型，几乎90％的材料都被切削、浪费掉了。总之，传统的方法工序繁多、工艺复杂、材料利用率低、机械加工量大、数控加工效率低、制造成本高、生产周期长。王华明则走出了一条与传统的方法截然不同的道路，是通过计算机控制，用激光将合金粉末融化，一层层堆积起来，“生长”出一个合金部件。这只需要一套激光设备来完成制造过程，大小部件都可以通用，任意复杂形状的零件，在这里都可以游刃有余地制造。以前两三年才能做好的复杂的大件，现在几天时间就能完成，而且只需两三个人在实验室里操作，还不会造成材料浪费。现在，王华明的激光合成零件已经实实在在地装上了飞机。




王华明，男，1962年5月出生，汉族，四川省合江县人，中共党员。1989年毕业于中国矿业大学北京研究生部矿山机械工程摩擦学专业，获博士学位。1992年获德国洪堡基金会“洪堡基金”，并于1992.10～1994.11赴德国埃尔兰-根纽伦堡大学金属科学与技术研究所进行国际合作研究（“洪堡学者”），回国后，到北京航空航天大学材料学院任教，先后任处理专业教研室科研副主任、主任、材料加工工程学科部主任、材料学院材料加工工程系主任、北京市特种功能能材料与表面技术重点实验室副主任等职。1991年在中国国科学院金属研究所破格晋升副研究员，1995年在北京航空航天大学破格晋升教授，1996年被评为博士生导师，现任北航材料加工工程学科责任教授、北航《蓝天计划》“蓝天学者”特聘教授。2006年受聘为北京航空航天大学材料科学与工程学院“长江学者特聘教授”。




从事“高性能航空金属材料激光制备科学与成形制造技术”研究。主持“国家杰出青年基金”、“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划项目”、“国防基础科研重大项目”等十余项。在国家上提出“元多相难熔金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层材料”研究新领域，研究成果在“昆仑”、“太行”等航空发动机上通过装机应用。突破飞机大型钛合金整体主承力构件激光快速成形关键技术，研制出迄今世界最大、拥有“原创”系列核心关键技术的飞机大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形工程化成套装备，制造出迄今中国最大的大型整体钛合金飞机主承力结构件并通过装机评审，使我国成为目前世界上唯一掌握飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家！获“国防科学技术一等奖”等多项奖励，授权“发明专利”8项，在影响因子大于1的SCI收录国际期刊上发表论文60余篇。



王华明教授主要从事以下几个方向的研究：


（1）提出“激光熔覆多元多相过渡金属硅化物高温耐磨耐蚀多功能涂层”研究新方向，研究出 Cr3Si/Cr2Ni3Si等耐磨性能优异并同时具有“反常磨损-载荷特性”、“反常磨损-温度特性”、“不粘金属特性”等性质的过渡金属硅化物多功能涂层材料新体系10余个，系列研究论文被《Advanced Coatings & Surface Technology》国际期刊“专题报道”；


（2）在对高推重比航空发动机关键摩擦副零部件高温高速“超常”摩擦学行为深入研究基础上，研究出含碳量高达9～12%的“激光熔覆超高碳Cr-Ni-C高温自润滑特种耐磨涂层新材料”，在我国某新型航空发动机关键热端高温耐磨运动副零部件上得到成功应用，获 “国防科学技术奖”二等奖；


（3）在对钛合金非接触激光熔化冶金晶体择优生长特性深入实验与理论研究的基础上，发明“定向生长柱晶钛合金激光区域约束熔铸冶金材料制备与发动机叶片等复杂零件激光直接成形新技术”，钛合金高温持久寿命提高10倍以上；


（4）突破飞机钛合金等高性能金属结构件激光快速成形关键技术及关键工艺装备技术，激光快速成形BT20钛合金机身关键结构件通过装机试飞前构件全部地面考核并已通过装机评审即将完成实际装机应用；将“合金超纯净精炼”、“定向凝固”、“快速凝固”等三大先进高温合金制备技术与“激光快速成形技术”有机融合为一体，提出“超纯净径向微细柱晶梯度组织高性能高温合金涡轮盘”新思路及其近终形零件激光直接成形制造新技术，成功制造出直径达450mm的超纯净径向微细柱晶梯度组织高性能高温合金涡轮盘件；


（5）发明了 “水冷铜模激光熔炼炉”及难熔、难加工、高活性金属材料激光熔铸材料制备与零件直接成形新工艺”，成功实现W等难熔合金及W/W5Si3等难熔金属增强超高温“原位”复合材料及其零件的激光熔铸冶金制备与成形制造，为难熔难加工高性能合金材料的制备与复杂零件成形制造找到了一条新的途径；


（6）发现“高 Jackson因子小面晶体”光滑液-固界面及台阶生长机制对凝固冷却速度及界面过冷度的高度不敏感性，对在经典凝固理论中被广泛接受的“随凝固冷却速度或界面过冷度的增加、小面晶体液/固界面结构将由原子尺度光滑向原子尺度粗糙转变、生长机制由侧向生长向连续生长机制转变”经典凝固理论“著名推论”的适用范围进行了合理补充。


2000年来主持“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划课题”、“教育部跨世纪优秀人才计划基金”、“总装武器装备重点基金”、“国防基础科研重点项目”等科研项目10余项，发表论文被SCI及EI收录137篇次、授权与申请发明专利7项、获得“北京市教学成果一等奖”及“国家教学成果二等奖”。




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四代机必备---何谓钛合金激光快速成形技术?






一、引言

钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能好等突出特点，在航空、航天、石化、船舶等工业装备中用量越来越大而且主要被广泛用作各种机身加强框、梁、接头等飞机大型关键主承力结构件。以航空应用为例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机(B一787、A一380)中钛合金用量

已由第三代(B一747、A一300】的不到4％上升到9％以上，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F一1 6的约3％增加到了F／A1 8-ElF、苏一27的15％以上，而第四代歼击机F一22中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41％『1—71，事实上，大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量飞机等国防装备技术先进性的重要标志之一。

但是，由于受钛合金本性的影响，采用“锻造+机械加工”等传统技术制造这些大型复杂钛合金关键结构件，不仅需要大型钛合金铸锭熔铸与制坯、万吨级以上重型液压锻造工业装备，而且制造工序繁多、工艺复杂，需要大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等，零件机械加工余量很大、材料利用率低(一般小于5～10％)、数控加工时间长、制造成本高、生产周期长，严重制约了大型钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用，大型钛合金主承力结构件低成本、短周期成形制造技术，也是制约我国航空装备研制与生产的技术“瓶颈”之一!

高性能金属结构件激光熔化沉积“近净成形”制造技术，利用快速原型制造(raDid prototypemanufactumq，RPM)的基本原理，以金属粉末(或丝材)为原材料，通过高能激光束对金属原材料的逐层熔化堆积，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型复杂金属零件的“近终成形”制造(near—net—shape manufacturincl)，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本、先进“近净成形”制造新技术，在航空、航天等国防装备研制与生产中具有广阔的应用前景，与传统制造技术(锻压+机械加工、锻造+焊接等)相比，具有以下突出优点：

(1)高性能材料制备与复杂零件“近净成形”制造一体化，无需零件毛坯制备和锻压模具加工、无需大型或超大型锻铸工业装备及其相关配套设施；

(2)零件具有晶粒细小、成分均匀、组织致密的独特快速凝固组织，综合力学性能优异；

(3)零件的材料利用率高(可比锻件提高5倍以上)、机加工量小、数控机加工时间短；

(4)制造成本低、生产制造周期短；

(5)工艺与设备简单、工序少而短、具有高度柔性与“超常”快速反应能力：

(6)可以方便地实现包括W、Mo、Nb、Ta等各种难熔及Ti、Zr等各种高活性高性能金属材料零件的材料制备和零件直接“近净成形”；

(7)可根据零件的工作条件和性能要求，通过灵活改变局部激光熔化沉积材料的化学成分，实现多材料梯度复合高性A月tid,金属的直接近净成形制造；

(8)具有对构件设计与批量变化的高度柔性与快速反应能力。激光快速成形技术的独特优点，为克服大型钛合金结构件上述制造技术缺点提供了一条新途径，

也由于钛合金结构件激光快速成形技术对先进国防装备研制与生产的重要性和广泛实用性，美国等西方工业及军事强国对其十分重视，美国国防部先进计划署(DARPA)及海军办公室(ONR)等部门，自1995年来先后

实施一系列专门研究计划，对飞机钛合金结构件激光快速成形技术予了重点支持，研究与应用进展迅速。

二、飞机钛合金结构件激光快速成形技术国外研究进展

迄今为止，国外只有美国AeroMet公司(1998年MTS公司出资与宾州外『立大学、约翰哈普金斯大学合作成立了专门从事飞机钛合金结构件激光快速成形制造的高技术公司，该公司2005年1 2月已破产倒闭)，在2002～2005年期间实现了激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用。Ae roMet公司在美国国防部

“军民两用科技计划”、美国空军“锻造计划”、美国陆军“满特”计划等计划的资助下，同Boeinq、Lockheed—Martin公司等军用飞机制造商密切合作，开展飞机机身钛合金复杂结构件激光快速成形技术研究，2000年9月成功完成对激光成形钛合金全尺寸飞机机翼结构件的地面性能考核试验，构件疲劳强度及静强度达到了取代传统锻造及铸造飞机钛合金构件的要求。2001年起AeroMet公司开始小批量为波音公司生产F／A一8E／F舰载联合歼击／攻击机供应发动机舱推力拉梁(图1)、机翼转动折叠接头、翼梁、带筋壁板(图2)及龙骨梁壁板(图3)等机翼钛合金非主承力结构件。2002年制定出了激光快速成形i6A14V产品技术标准，该公司从2002年开始直到2005年12月宣布破产倒闭为止，激光快速成形制造的Ti6A14V等飞机钛合金构件已在F一22、F／A18一ElF等飞机上装机应用。









美国AeroMet公司是世界历史上第一家掌握飞机钛合金结构件激光快速成形技术并成功实现装机应用的单位，但令人遗憾的是。由于受其激光快速成形工艺固有缺点的影响，其激光快速成形Ti6A14V等钛合金构件即使经过后续热等静压(HIP)或开模锻造(Open Die For．qinq)加工，零件材料的疲劳性能始终明显低于锻件水平(如图4所示)，致使激光快速成形钛合金构件无法实现在飞机关键主承力结构件上的应用，限制了激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用范围并最终导致Ae roMet公司于2005年12月宣布破产倒闭






三、飞机钛合金结构件激光快速成形技术国内研究进展

迄今国内开展过钛合金激光快速成形技术研究的单位只有北京有色金属研究总院、西北工业大学和北京航空航天大学等少数几家单位，但除北航外，尚未实现在飞机上的装机应用。

北京航空航天大学激光材料成形与制备实验室，在国家自然科学基金“重点”项目及“杰出青年基金”项目、国家“973计划”专题、国家“863计划”重点项目等项目的重点支持下，与沈阳飞机设计研究所等单位产学研紧密结合，白1 998年以来一直致力于钛合金结构激光快速成形工艺、成套工艺装备及工程化应用关键技术的研究。

“十五”期问，自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触／动态密封／惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统。突破了飞机钛合金次承力结构件激光熔化沉积制造工艺及装机应用关键技术，激光熔化沉积制造TC4、TAl5、BT22、TC2等钛合金室温及高温拉伸、高温持久、高温蠕变、光滑疲劳、缺El疲劳等力学性能均显著超过锻件，2005年来激光快速成形TAl5、TC4等多种钛合金结构件，已实现在飞机上的装机应用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期缩短了2／3、制造成本降低了1／2以上。

“十一五”期间，在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、成套装备、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心关键技术上取得了突破性进展：

‘研究出了大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形新工艺，解决了激光快速成形大型整体钛合金主承力结构件变形与开裂的的“技术难题”。

+提出并掌握了激光快速成形飞机大型整体钛合金主承力构件凝固组织晶粒形态及热处理显微组织主动控制新方法。

+认识激光快速成形飞机钛合金大型主承力结构件内部缺陷形成机理并突破内部缺陷与质量控制关键技术。

。突破了激光快速成形飞机钛合金大型主承力整体结构件组织和内部质量控制关键技术，激光快速成形大型整体钛合金主承力构件综合力学性能达到和超过钛合金模锻件，其中，缺1：3疲劳极限超过钛合金模锻件40％以上、高温持久寿命较模锻件提高400％以上。

。成功激光快速成形制造出了零件单件重量逾1 10kq的多种钛合金关键结构件(部分样件实物照片见图5)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。

四、结束语

采用激光快速技术制造飞机大型整体钛合金结构件，具有无需大型锻造装备及大型锻造模具，材料利用率高，加工量小，成本低，周期短，柔性高效等突出优点，但激光快速成形过程中零件变形开裂预防、内部质量(内部缺陷、晶粒及显微组织等)及力学性能控制、工程化成套装备与过程控制、应用技术标准等是制约飞机大型整体钛合金结构件激光快速技术走向工程应用的关键技术难题。





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我国钛合金激光快速成形技术的一些具体应用




应用成果之一我国钛合金技术已经在11B上成功应用了







应用成果之二我国各型航空发动机（当然包括四代动力了）



中航工业与北航签署战略合作框架协议
http://news.buaa.edu.cn/dispnews ... mp;s_table=news_txt

签署仪式上，中航工业成都发动机有限公司刘建总工程师与我校航空科学与技术国家实验室副主任陶智教授，签署开展微小发动机产学研合作的框架协议；中航工业商用飞机发动机有限公司张健总经理与我校航空科学与技术国家实验室适航中心执行主任丁水汀教授，签署开展适航技术研究合作的框架协议；中航工业贵州黎阳航空发动机公司肖波总工程师与我校材料科学与工程学院王华明教授，签署开展先进中推涡扇发动机、风扇钛合金整体叶盘、激光近净成形及应用关键技术研究协议。为了进一步深入学习航空发动机之父吴大观同志的先进事迹，高建设副总经理代表中航工业向我校赠送了《我的中国心》一书，党委常务副书记谭振亚代表我校接受赠书。




应用成果之三国产大飞机C919大型客机


http://finance.sina.com.cn/roll/20091226/01427157765.shtml

据记者了解，C919大型客机机头工程样机运用了大量先进制造技术，不仅首次全部采用模块化定义规范开展全三维数字化设计和模块化管理，还利用PDM数据管理系统开展在线全关联设计，使得协调便捷快速，并且采用了大量先进制造工艺和先进材料，其中主风挡窗框采用钛合金激光成型。





应用成果之四年底即将首飞的重点工程“歼XX”战机


年底即将试飞的J-XX飞机上某重要承力部件，技术冻结状态就是采用激光快速成形技术制造，根本没考虑锻件替补备选，因为目前国内还没有制造如此大尺度整体钛合金构件的模锻能力






总装备部科技委副主任丛日刚将军视察激光快速成形实验室


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相关技术论文




激光熔化沉积快速成形TA15钛合金的力学性能


钛合金具有密度低、比强度高、屈强比高、耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点，在航空、航天、石化、船舶等工业装备中用量越来越大，以航空应用为例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客机（B787、A380）中钛合金用量已由第三代（B747、A300）的不到4% 上升到10% 以上，第三代歼击机中钛合金结构件用量由F16 的约3% 增加到了F/A18- E/F、苏-27的15% 以上，而第四代歼击机F22 中钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41%[1-7]。但是，由于受钛合金本性的影响，采用“锻造＋机械加工”等传统技术制造这些复杂钛合金结构件，存在制造工艺复杂、工序多、生产制造成本高、材料利用率低、生产周期很长等突出缺点，制约了钛合金结构件在先进工业及国防装备中的广泛应用，并严重影响国防装备的快速研制、快速生产与快速装备使用。

    激光熔化沉积（L M D）快速成形技术，利用快速原型制造（RPM）技术在无需任何模具和工装条件下快速制造任意复杂形状零件的全数字化快速制造基本原理，以新材料快速凝固激光冶金制备技术为手段，通过金属材料的激光逐层熔化沉积，直接由零件CAD模型一步完成高性能“近终形”复杂金属零件的快速成形制造，是一种代表着先进制造技术发展方向、将高性能结构材料制备与“近终形”复杂零件直接成形有机融为一体的无模、非接触、数字化成形制造新技术，对上述工业装备中钛合金等高性能关键金属结构件的短周期、低成本成形制造具有十分重要的意义[5-7]。美国AeroMet 公司同波音、洛克希德· 马丁等飞机制造商紧密合作，采用激光熔化沉积快速成形技术生产的Ti-6Al-4V 等钛合金关键结构件，已在F-18E/F、F-22 等飞机及导弹等武器装备中得到应用考核[5-9]。

    迄今，国内外尚未见有关激光熔化沉积快速成形钛合金力学性能的系统研究报道。本项目组“产学研”紧密结合，不到4年时间就突破了钛合金结构件激光熔化沉积快速成形工艺及应用关键技术，成功实现了激光熔化沉积制造TA15钛合金结构件在飞机上的应用，使我国成为继美国之后世界上第二个掌握激光熔化沉积快速成形飞机钛合金次承力结构件装机应用技术的国家[5-7，10-12]。本文简要报道激光熔化沉积TA15钛合金的拉伸、高温持久及疲劳等力学性能。

    试验方法

    采用真空非接触等离子熔炼/氩气雾化T A15 钛合金粉末（粒度-140+300 目）为原料，通过同轴气动送粉激光熔化沉积快速成形技术，在北京航空航天大学激光材料加工与制造技术实验室自行研制、具有自主知识产权的“平面接触－动态密封－惰性气氛保护” 钛合金结构件激光熔化沉积快速成形成套装备上进行[10-12]。该系统包括8kW横流连续CO2激光器、三轴联动四坐标数控激光加工机床、专用送粉器、集粉末输送与汇聚－激光束聚焦－惰性气体输送－气氛保护与密封－系统冷却－高度控制等多种功能于一体的“激光快速成形多功能集成光头”及“自由平面接触/ 动态密封/ 惰性气氛保护激光熔化沉积腔”等核心单元[10-12]。分别在750℃、770℃、 800℃及830℃等4个温度下对激光熔化沉积快速成形TA15钛合金进行了退火热处理，以系统研究激光熔化沉积成形后退火热处理温度及退火热处理时间对激光熔化沉积成形TA15钛合金显微组织及力学性能的影响。采用标准试样分别测试了激光熔化沉积快速成形TA15钛合金零件的室温拉伸、500℃高温拉伸及500℃/471MPa高温持久性能以及光滑试样(Kt =1)与缺口试样（Kt=3）的轴向拉- 拉疲劳性能。室温拉伸、高温拉伸、高温持久、光滑及缺口疲劳等力学性能标准测试试样分别取自厚度为6mm 和16mm的激光熔化沉积TA15 钛合金板材及直径为15mm的棒材。

    试验结果

    1 激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金的显微组织

    激光熔化沉积成形态（沉积态）T A15 钛合金具有典型的编织状β转变近α 钛合金组织，在750 ～830℃范围内对进行20 ～ 120m i n退火热处理后，其显微组织没有明显变化，如图1 所示。

    2 激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金室温拉伸力学性能

由表1 可见，激光熔化沉积快速成形TA15钛合金板材具有优异的室温拉伸力学性能，其抗拉强度平均达到1004MPa、延伸率平均达到16.2%，相当于热轧退火TA15钛合金板材室温拉伸性能实测值（抗拉强度1000MPa、延伸率13%）；在770～ 830℃范围内进行退火热处理，对激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金板材室温拉伸力学性能没有明显影响；在6 ～ 16mm范围内，激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金板材厚度变化对其室温拉伸力学性能没有显著影响，其力学性能对壁厚敏感性小。

    分别测试了激光熔化沉积快速成形TA15钛合金板材纵向（沉积增高方向）及横向的力学性能，结果表明（见表2），激光熔化沉积快速成形TA15钛合金板材的室温拉伸力学性能表现出一定的各向异性，其纵向（沉积增高方向）塑性高于横向，横向强度略高于纵向。

   3 激光熔化沉积快速成形TA15钛
   合金的高温拉伸力学性能激光熔化沉积态及经800℃退火热处理后，激光熔化沉积快速成形TA15钛合金与热轧退火TA15钛合金的500℃高温拉伸试验结果如表3 所示，可见，激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金具有优良的高温拉伸性能，其高温拉伸性能与热轧退火TA15钛合金相当。

    4 激光熔化沉积快速成形TA15钛合金的高温持久性能

    从表4 中可见，激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有特别优异的高温持久性能，500℃/471MPa条件下，激光熔化沉积快速成形TA15棒状试样的平均持久寿命达到113h 以上，而热轧退火TA15钛合金的持久寿命只有约47h，激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金高温。持久寿命是热轧退火TA15钛合金的2.4 倍，持久寿命提高140% 以上。

   5 激光熔化沉积快速成形

   TA15钛合金的疲劳性能疲劳性能尤其是缺口疲劳性能是飞机钛合金结构件最重要的力学性能，激光快速成形钛合金零件疲劳性能的优劣（很重要的是与钛合金锻件相比），对激光快速成形钛合金结构件在飞机上的应用前景至关重要。

   本课题进行了激光熔化沉积快速成形TA15钛合金与锻造TA15钛合金及热轧厚板T A15 钛合金的光滑试样（Kt=1）及缺口试样（Kt=3）疲劳性能对比考核试验，在等幅应力条件下采用轴向拉－拉循环加载测试S - N 曲线，应力比R =0.06，试验结果如图2 所示，从图2 可以看出，激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金具有优异的疲劳性能，其光滑试样疲劳性能与锻造及热轧钛合金的水平相当，而缺口试验疲劳性能显著超过钛合金锻件。

   6 激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金的断裂韧性

   采用厚度为25mm 的标准紧凑拉伸试样，测试了激光熔化沉积快速成形态及特种热处理态TA15钛合金的断裂韧性，测试的结果表明（如表5 所示）：激光熔化沉积快速成形态TA15钛合金的断裂韧性没有方向性，其纵向与横向的断裂韧性值均约50MPa·m1/2，而经特种热处理获得双态组织后，激光熔化沉积快速成形T A15 钛合金断裂韧性平均值达到78MPa·m1/2，较激光熔化沉积态T A15 钛合金的断裂韧性值大幅度提高。

   结论

  （1）激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有优异的室温及高温拉伸力学性能，其室温拉伸力学性能优于热轧退火TA15钛合金，500℃ 高温拉伸性能与热轧退火TA15 钛合金相当；

  （2） 激光熔化沉积快速成形TA15 钛合金的室温拉伸力学性能表现出一定的各向异性，横向强度略大于纵向，纵向塑性略高于横向；

  （3）激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有十分优异的高温持久性能，在500℃ /471M P a 条件下的高温持久寿命达热轧退火TA15钛合金的2 倍以上；

  （4）激光熔化沉积快速成形TA15钛合金具有优异的疲劳性能，其光滑试样疲劳性能与锻造及热轧钛合金厚板相当，而缺口试验疲劳性能显著优于钛合金锻件。


参考文献

[1] 赵振业，赵英涛，何鲁林，等．先进飞机结构材料的发展．材料工程，1995，1:4-8，11.
[2] 曹春晓. 航空用钛合金的发展概况．航空科学技术，2005，4: 3-6.
[3] 彭艳萍，曾凡昌，王俊杰，等．国外航空钛合金的发展应用及其特点分析．材料工程，1997，10: 3-6.
[4] 赵永庆，魏建峰，高占军，等．钛合金的应用和低成本制造技术．材料导报，2003，17(4):5-7.
[5] 王华明，张凌云，李安，等．金属材料快速凝固激光加工与成形．北京航空航天大学学报，2004，30(10):962-967.
[6] 王华明，张凌云，李安，等．先进材料与高性能零件快速凝固激光加工研究进展．世界科技研究与发展，2004，26(3):27-31.
[7] 王华明. 航空高性能金属结构件激光熔化沉积快速成形研究进展．航空制造技术，2005，12: 26-28.
[8] Flinn ED.Laser forming yieldslarge titanium parts.Aerospace America，1999，37(11):22-23.
[9]Arcella FG，Abbott DH， HouseMA.Rapid laser forming of titaniumstructures. PM98:1998 Powder MetallurgyWorld Congress & Exhibition，Granada，Spain，1998.
[10] 王华明，先进航空金属结构材料制备与成形制造技术研究与进展，先进制造与材料应用技术，2005（1）：10-14.
[11] 李安，张凌云，张立强，等．高性能钛合金零件激光快速成型的研究，先进制造与材料应用技术，2004（2）：7-14.
[12] 王华明，张凌云，李安，等．飞机钛合金结构件激光熔化沉积快速成形技术的应用研究进展，先进制造与材料应用技术，

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