国庆前夕，中共中央政治局以实施创新驱动发展战略为题举行第九次集体学习，“学习地点”为中关村。中央领导们重点考察了3D打印、集成电路装备、新一代信息技术、节能环保、新材料、生物和健康、航空航天等研发和生产企业，并与企业负责人和科研人员进行了深入交谈。中航天地激光科技有限公司王华明教授作为“钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”这一国内3D打印尖端技术发明人，当天为向中央领导们讲解了国际、国内3D打印技术现状和市场运用前景。
据了解，3D打印技术被誉为第三次工业革命的重大标志性技术，中航激光运用的激光快速成型是3D打印技术中的高端技术，王华明教授因钛合金大型复杂整体构件激光成形技术研究的成就获得了2012年度国家技术发明奖一等奖。
中航激光主要从事大型钛合金、高强钢等高性能金属结构件激光快速成型技术的研发、生产加工及销售，产品主要应用于先进战机、大型飞机、高推重比航空发动机、重型燃气轮机等高端大型工业装备。目前A股市场中，中航投资、中航重机是中航天地激光的股东，中航投资此前于7月单方面向天地激光增资1000万元。同时，凭借金融控股优势，中航投资还能以旗下的如中航信托等多种金融工具推动中航激光3D打印技术的产业化应用。
市场人士认为，中央领导此次集体考察体现了对科技创新的高度重视，必将极大激发企业对于自主研发的热情。
王华明，北京航空航天大学材料学院材料加工工程系主任、材料加工工程学科责任教授、“长江学者特聘教授”。开辟“快速凝固激光材料制备与成形”研究新领域，建成先进的“激光材料加工制造技术实验室”，在先进材料快速凝固激光制备加工与成形制造领域取得多项原创性成果并在航空发动机及飞机上得到应用。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”。2013年入选国家“万人计划”第一批科技创新领军人才。
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。
大型钛合金结构激光快速成形技术研究进展
一、前言
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-16的约3%增加到了F/A18-ElF、苏-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%，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(rapid prototype manufacturing，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能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公司出资与宾州州立大学、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。AeroMet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-18E/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Ti6A14V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-22、F/A18-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 Forging)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1998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：
1.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”。
2.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。
3.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。
4.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，缺口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。
5.成功激光快速成形制造出了零件单件重量逾110kq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、中国钛合金3D打印后来居上
我国的钛合金激光成形技术起步较晚，直到1995年美国解密其研发计划3年才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习，在全国多所大学和研究所设立实验室进行研究。其中，中航激光技术团队取得的成就最为显著。
早在2000年前后，中航激光技术团队就已经开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发，在国家特别是军方资金的持续支持下，经过数年研发，解决了“惰性气体保护系统”、“热应力离散”、“缺陷控制”、“晶格生长控制”等多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4m量级、性能满足主承力结构要求的产品，具有了商业应用价值。
目前，我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。
节约90%的材料和成本
在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空研制的一项独特优势。由于钛合金重量轻，强度高，钛合金构件在航空领域有着广泛的应用前景。目前，先进战机上的钛合金构件所占比例已经超过20%。
传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造，但重量较大且无法加工成精细的形状。锻造切削虽然精度较好，美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框。但是零件制造浪费严重，原料的95%都会被作为废料切掉，而且锻造钛合金的尺寸受到严格的限制：3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件，即使世界上最大的8万吨水压机，锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件，而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。
激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题，由于采用叠加技术，它节约了90%十分昂贵的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件，粗略估计，传统工艺的成本大约是2500万元，而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺的5%。
更重要的是，许多复杂结构的钛合金构建可以通过3D打印的方式一体成型，不仅节省了工时，还大大提高了材料强度。F-22的钛合金锻件如果使用中国的3D打印技术制造，在强度相当的情况下，重量最多可以减少40%。
下一代国产飞机的关键技术
在航空领域，中国激光钛合金成形技术已经得到了广泛的应用。
在中航成飞和沈飞的下一代战斗机的设计研发中，激光钛合金成形技术已经得到了广泛运用。通过这一技术，正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比;依托激光钛合金成形造价低、速度快的特点，沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并且进行试飞。
民用航空制造业也开始应用这一技术。目前，在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，通过激光立体成型技术为将于2014年投产，并在2016年投入运营的国产客机 C919 制造了钛合金翼梁，长度超过5米。
除了制造外，这些部件在出现问题后，也将可以使用同样的技术进行修复，而无需重新制造，这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。
凭借激光钛合金成形技术，中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列，并为中国航空工业的发展打下了坚实的基础。
