高性能航空金属材料激光快速成形与激光表面改性研究进展.pdf

高性能航空金属材料激光快速成形
*
与激光表面改性研究进展

王华明张凌云李安蔡良续汤海波张述泉
(北京航空航天大学先进材料激光成形制造技术实验室北京100083)

0前言*

轻质、高强、耐高温高性能金属结构材料及其先进的材料制备与零件成形制造技术，是先进飞
机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶等先进国防装备研制与生产的基础和关键
技术。随着国防装备技术水平的不断提高(例如，随着飞机飞行速度、航程及航空发动机推重比的不
断提高等)，对高性能金属结构材料使用性能及其材料制备与零件制造技术的要求越来越高。本文针
对新一代飞机及高推重比航空发动机研制对轻质、高强、耐高温等高性能金属结构材料及其成形制
备技术的需要，并结合作者所在实验室相关研究进展，简要报道本实验室在大型复杂钛合金结构件
激光直接快速成形技术及激光熔覆难熔金属硅化物高温、耐磨、耐蚀多功能涂层材料等方向的最新
研究及应用进展。

1高性能大型复杂钛合金结构件激光直接快速成形技术

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，在先进
飞机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶等先进国防装备中被广泛用作对国防
装备性能具有决定性影响的关键结构件，钛合金用量的高低已成为衡量飞机、发动机等许多先进
国防装备先进性的重要标志之一。同时，为最大程度减轻航空航天国防装备结构重量，飞机、发
动机、飞船、卫星等先进国防装备中大量采用大型复杂整体钛合金结构件，例如，F—22等四代
机先进战机机身结构大量采用整体大型钛合金锻件，如F－22中机身四个整体承力隔框锻件最大
投影面积达到5.53m2，锻件毛坯重量重达1897～2976kg，机械加工后最终零件重量仅仅83.7～
143.8kg，材料利用率仅仅2.92%～4.90%，单件零件机械切削加工时间长达6个月以上。采用传
统锻造－机械加工方法制造这些大型复杂整体钛合金结构件，不仅强烈依赖于我国匮乏或尚不具
备的大型与超大型工业基础设施(如：4～10万吨级水压机、100吨米以上的超大自由锻造设备等)
及其配套设施与技术水平、需要制造成本很高且准备周期很长的大型或超大型锻造模具加工制造，
而且零件机械切削加工量很大、材料利用率很低，需要昂贵的大型或超大型数控机械加工设备，
制造成本很高，生产制造周期很长，严重影响国防装备的研制与规模化生产。事实上，大型复杂
钛合金关键结构件成形制造技术，是严重制约我国航空、航天等国防装备研制和生产的瓶颈性
技术。
“高性能金属结构件激光直接快速成形制造技术”，利用快速原型制造(RPM)的基本原理，通
过金属材料快速凝固激光熔覆逐层沉积，直接由零件CAD模型一步完成组织致密、成分均匀、性
能优异的高性能近终形复杂金属零件的快速成形制造，采用该技术可在无需毛坯制备、无需模具
加工制造、无需重型或超重型锻铸工业基础设施等的条件下，直接实现钛合金、高温合金、金属
间化合物等高性能‘近终形’复杂零部件的无模快速成形制造，是一种代表着先进制造技术与材

*国家“863计划”课题(2002AA331030、2003AA305750、2002AA305203)、国家自然科学基金(重点项目50331010、面上项目50471006)、
教育部“跨世纪优秀人才计划”基金和航空基础科学基金(05H51009)资助项目。

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料技术发展方向、将“高性能结构材料设计、制备与‘近终形’高性能复杂零件直接成形制造”
有机融为一体的“无模”、非接触、无污染、数字化、知识化成形制造新技术。与传统铸锭锻造成
形制造技术相比，存在工序少(材料制备与近终形零件成形制造一步完成且不依赖于重型或超重型
锻铸工业基础设施)、制造周期短、材料利用率高、机械加工量小、成本低等独特优点，此外，采
用该技术还可根据零件不同部位的工作条件与特殊性能要求实现梯度材料高性能金属零件的直接
快速成形，尤其适合于国防装备中钛合金等高性能大型复杂近终形金属零部件的直接快速成形制
造，对国防装备的快速研制、生产与改型具有十分重要的影响。美国等世界军事强国对该技术的
研究及应用极为重视，研究及应用进展迅速，从1995年钛合金结构件激光快速成形技术新概念的
提出，到2000年实现在F/A-18E/F、F22等先进战机机身机翼关键钛合金上的批量实际应用，总
共不到5年时间。
我国在此领域的研究起步较早，特别是我国在激光熔覆技术研究及应用方面具有很好的研究基
础，研究工作受到国家自然科学基金“重点项目”、国家重大基础计划(973计划)项目及国家高技术
研究发展计划(863计划)等国家重要研究计划的重点支持，应用基础及应用研究进展较快，其中，北
京航空航天大学1998年以来一直致力于钛合金、高温合金、金属间化合物等先