激光立體成形裝備助力C919飛機鈦合金結構件製造

送交者: 三把刀 2012年11月13日19:31:30 於 [軍事天地] 發送悄悄話

2012年6月，對於西北工業大學凝固技術國家重點實驗室來說是一段忙碌的日子。3日，中國商用飛機有限責任公司董事長、黨委書記金壯龍一行到訪，考察為我國大型商用飛機大型鈦合金結構件製造而專門建立的激光製造工程中心。金壯龍撫摸着高達3米的激光立體成形C919飛機中央翼緣條，激動地說：“感謝西工大對大飛機事業的支持。”第二天，工業與信息化部蘇波副部長視察調研，他興致勃勃地登上激光製造工程中心6米高的激光立體成形裝備，一邊仔細觀察大飛機鈦合金零件的激光立體成形過程，一邊向黃衛東教授詳細詢問激光立體成形的工作原理和技術特點，連聲說：“開眼界了。”考察結束後，蘇波對陪同參觀的西工大校領導說：“我還要特別轉達中國商飛對西工大的感謝——感謝西工大對大飛機事業的支持。”同天，參加西北工業大學凝固技術國家重點實驗室學術委員會的專家學者們來到激光製造工程中心考察。實驗室學術委員會主任、中國工程院副院長干勇院士感慨地說：“太了不起了！西工大太了不起了！激光成形技術達到如此高的水平，在世界上也是首屈一指的。激光成形技術在民機上的應用，將是中國製造領先於世界的標誌性成果！” 採用激光立體成形技術來解決飛機大型鈦合金結構件製造技術難題，是C919飛機總設計師吳光輝的強烈願望。鈦合金應用量是現代飛機先進性的一個代表性指標，然而，我國在大型鈦合金結構件的製造技術能力上同歐美相比還有很大的差距，在滿足C919飛機需求方面還存在嚴重的技術困難。在這個關鍵時刻，吳總注意到西工大在大型鈦合金結構件的激光立體成形技術方面所取得的成就，寄希望於採用這項先進的新技術來解決大飛機製造中面臨的困難，同時形成中國大飛機製造具有自主知識產權的特色新技術。吳總找到西工大姜澄宇校長，表達了中國商飛希望西工大給予技術支持的願望，得到姜校長的積極響應。 受吳總的委託，商飛公司C919飛機負責結構強度的副總設計師周良道一行於2011年1月22日專程到西工大調研考察激光立體成形技術的情況，並商談為C919 飛機製造大型鈦合金結構件的合作。現場考察後，周良道說：“我們找對人了，商飛願意同西工大通力合作，應用激光成形技術解決C919飛機鈦合金結構件的製造問題。” 原來，商飛此前曾經同一些單位在激光成形技術方面有過合作交流，但是不能令人滿意，特別是一些技術上的疑問一直未能澄清。對於一種新技術，用戶方從謹慎的態度出發，必然會有很多疑問，不澄清所有的疑問，新技術是難以得到應用的。特別是大型商用飛機，應用上的絕對安全性要求技術上的高度可靠性，容不得技術上有任何含糊。心中諸多疑問完全釋然的周良道，下決心同西工大合作，採用激光成形技術製造C919大飛機大型鈦合金結構件。3月15日，雙方成立聯合工作團隊，開展C919飛機大型鈦合金結構件激光立體成形製造的技術攻關，並按C919飛機的研製節點確定了詳細的工作計劃，正式進入項目實施。 於是，學校迅速啟動了有效的工程化研究和產業化轉化的機制，提供了一塊2500平方米的場地建立了西工大激光製造工程技術中心，以技術入股，引入民間資本建立了鉑力特激光技術有限公司，為工程化研究的效率和質量提供了機制上的保證。過去，凝固技術國家重點實驗室的激光成形設備可成形的最大零件是1.2米，而中國商飛要求製造的最大鈦合金結構件接近3米，設備的尺寸和激光器功率都必須大大擴展。凝固技術國家重點實驗室激光成形研發團隊，以只爭朝夕的精神，在一片廢墟似的場地建設現代化的工程研究中心，同步進行新的大型設備的安裝調試，只用了3個月的時間。 凝固技術國家重點實驗室自1995年以來的潛心研究，已奠定了堅實的科學理論基礎，用大量發明專利和詳實的實驗數據證實了其技術上的可用性，用已經達到世界先進水平和中國唯一商用化的裝備技術保證了其實施的可行性，用在航空、航天、機械、醫學等領域的大量應用案例激發了科技界和工業界的強烈興趣。然而，相對大飛機的應用需求，這些都還只是促使中國商飛下決心應用激光立體成形技術的“基礎”。要在大飛機上真正應用一項新技術，還要跨過很多關口。無論過去有多少數據和案例支持，都不構成一項新技術在飛機製造上應用的直接依據。 中國商飛的第一個考試，是“五項性能測試”。這是採用飛機將來實際應用的真實材料，在非常接近服役狀態條件下的材料和結構的進行一些代表性的力學性能測試。“考試”的結果令中國商飛非常滿意，周良道副總設計師的評價是“略好於鍛件”。這是一個令黃衛東團隊激動不已的高度評價。黃衛東過去一直謹慎地評價激光立體成形金屬件的性能是“相當於鍛件”。須知鍛件一般代表了金屬結構件的最高力學性能，但是其他一些單位的“五項性能”，在十分關鍵的疲勞強度上的數據分散性明顯大於鍛件，這曾經是中國商飛對應用激光立體成形技術有所擔心的問題。現在，實驗室樣品優異的性能數據完全打消了中國商飛對激光成形件性能可靠性曾經的擔心。 中國商飛還有第二件擔心的事情。在時間極度緊張的情況下，西工大能按C919飛機研製的節點按時成形出滿足質量要求的大型鈦合金結構件嗎？零件的變形問題是否能夠可靠解決？因為中國商飛要求生產的激光成形鈦合金結構件，都是大型薄壁零件，而激光成形過程零件不可避免地要經歷極高的溫度梯度，這是導致成形件變形的最難以控制的因素。在這樣一個考驗面前，實驗室交出了一份令中國商飛十分滿意的答卷。2012年除夕早晨，經過數月24小時三班倒夜以繼日的設備調試和工藝攻關，第一個近3米高的C919飛機中央翼緣條非常漂亮地成形出來。消息傳到中國商飛，吳光輝總設計師給西工大翁志黔副校長打電話表示衷心的祝賀。在黃衛東團隊年三十的中午的團年飯局上，已經85歲高齡的金屬加工界泰斗周堯和院士也特別趕來參加這頓特殊的團年飯，以此向攻關團隊表示衷心的祝賀。後來，這個成品在放置了一個月之後，最大變形量小於0.8毫米，表明成形精度和變形控制都達到了極高的技術水平。 經歷過這樣兩次近於滿分的“考試”之後，中國商飛徹底放心了，在C919飛機製造中應用激光立體成形新技術，也就沒有了技術上的障礙。2012年5月20日，吳光輝總設計師專程來到西工大激光製造工程中心，對實驗室在這次技術攻關中建立起來的工程化研究和產業化轉化機制給予高度的肯定，對於激光成形在提高中國大飛機製造的材料國產化率方面的貢獻寄予深切的期望。 1995年，黃衛東在科研中產生了關於快速成形技術的一個新構思：把快速原型製造的增材成形原理和同步送粉激光熔覆相結合，形成一種快速成形高性能緻密金屬零件的新技術，用於直接製造可以承載高強度的力學載荷的金屬結構件。黃衛東注意到，當時“快速成形”=“快速原型製造”，但兩者的內涵其實並不相同。增材製造作為一種快速成形原理，沒有理由說它只能用於原型製造，而不能製造可以直接承載高強度力學載荷的金屬結構件。 但當黃衛東同快速成形領域的專家們交流構思時，專家們卻是一致地表示懷疑，不相信快速成形技術可以製造像鑄件和鍛件那樣高力學性能的緻密金屬零件！黃衛東根據自己的專業知識，堅信採用同步送粉激光熔覆技術完全可以做出力學性能非常高的金屬零件。於是，他安排博士研究生李延民開始進行激光立體成形的技術基礎——多層激光熔覆的探索性研究。初步結果令人鼓舞，在金相顯微鏡下竟然難以分辨多層激光熔覆形成的金屬塊的分層結構，說明材料結合得非常好，確實形成了一個緻密的整體。 1997年，航空科學基金首次設立重點項目，黃衛東教授題為“金屬粉材激光熔凝的顯微組織與力學性能研究”的項目申請通過函評，在會審會上，黃衛東的激光立體成形新設想，在評審組長，中國著名激光焊接專家左鐵釧教授的力挺下得以通過。同年，激光定向凝固研究項目獲得國家自然科學基金的資助。這是中國在激光立體成形領域最早的正式立項的科研項目。李延民以激光立體成形作為研究內容的博士論文讓他在2001年獲得博士學位，成為中國第一位專門研究激光立體成形技術的博士。畢業後即被美國GE公司中國研究中心招募，為該中心創建了激光立體成形技術研究部門。 2000年以後，863計劃、973計劃、國家自然科學基金重點項目等也開始對激光立體成形立項支持。2001年，黃衛東團隊關於“高性能複雜金屬零件的激光快速成形技術”的研究項目申請獲得國家863計劃的支持。 863項目的研究成果，很快就在我國新型航空發動機的研製中做出重要貢獻。到該發動機裝機試車的時間節點時，採用鑄造技術研製的一個關鍵零件始終未能合格，使得發動機無法按時裝機試車。利用863項目研究所獲得的技術成果，黃衛東團隊採用激光立體成形技術研製的零件保證了發動機的裝機試車。 2001年，黃衛東教授團隊申請了中國第一批關於激光立體成形的源頭創新專利。至今已獲授權激光立體成形的材料、工藝和裝備相關的國家發明和實用新型專利12項。 2002年和2006年，西工大與中國人民解放軍第四軍醫大學口腔醫院合作，先後獲得863計劃的連續支持，開展口腔金屬修復體和梯度生物活性材料的激光立體成形研究，其中激光立體成形的口腔鈦基金屬修復體已通過臨床試用，激光成形製備的鈦/生物陶瓷梯度複合材料也通過了動物植入測試。激光立體成形技術在醫學領域的應用，是黃衛東和他的團隊所看好的下一個研究重點。實際上，這項工作早在1995年就起步了。那年四醫大口腔醫院的王忠義教授帶領他的幾個博士研究生到實驗室探討口腔醫學與材料加工領域的合作機會。黃衛東提出的激光立體成形的技術構思引起了王忠義教授的高度興趣。當他的一位博士生高勃完成博士學位論文之後，王忠義就建議他到西北工業大學作博士後研究工作，由此啟動了長達十幾年至今的口腔植入體激光成形研究工作。高勃博士如今已是四醫大的教授、博士生導師，口腔植入體的激光成形研究成了他的主要科研方向。 航空航天和大型機械裝備關鍵零件的高性能修復，是激光立體成形技術的又一個重要應用領域。2003年，黃衛東教授到成都飛機公司去進行有關激光立體成形的學術交流。成飛科技部的部長說，我們更關心高端零件的修復。在飛機零件的加工過程中，不可避免常常因為各種原因形成的零件缺陷而導致報廢，由於飛機關鍵零件對性能可靠性的要求極高，因此一般不允許修復使用。一些大型零件的價格往往上百萬元或數百萬元，其報廢導致的經濟損失極為高昂。更為要緊的是，有的關鍵零件的加工周期很長，重新製造將需要很長的時間，往往引起飛機研製進度拖延。因此，如果有高性能修復技術能使這些零件起死回生，將是極有價值的。成飛迅即立項，委託實驗室研究飛機大型關鍵零件的激光修復。由於激光修復技術的價值已得到證實，成都飛機公司、西安航空發動機公司和某飛機修理廠都已購買了西工大為他們的重要產品專門研製的激光修復設備。其中有的設備可以修複數米大的飛機零件。 裝備技術是激光成形團隊一個極為重要的研究內容。先進的技術離不開裝備的支持，技術的成熟性最終要以工藝和裝備的完整性和成套性來體現。黃衛東團隊從研究伊始就非常注重激光立體成形設備的研發。從最初只是研製實驗室必不可少的裝備，到提供工業企業商用。2007年，研製出國內首套商用LSF-Ⅲ型激光立體成形製造裝備，迄今已為中國航天科工集團、西安航空發動機公司、成都飛機製造公司等5家國內外企業提供商用激光立體成形與修復再製造裝備。目前國際上能夠提供產業使用的激光立體成形裝備的代表性公司有美國的Optomec公司，POM公司，德國的Trumpf公司，國內僅西北工業大學提供了商用裝備。一家國際著名激光加工裝備製造公司的銷售人員說：“看來我們只能放棄與你們競爭，轉為合作。”中國商飛與實驗室的合作，就是緣於吳光輝總設計師在航天科工集團看到實驗室研製的激光成形裝備。 裝備研究是凝固技術國家重點實驗室最重要的研究傳統之一，凝固技術國家重點實驗室目前80%以上居於國際前沿的先進裝備都是實驗室人員獨立研發出來的。不過，激光立體成形裝備畢竟與傳統的凝固裝備不同，特別是涉及到了激光器的精確控制、零件的三維造型和剖分、環境氣氛的精確控制、以及材料送進方式等，都對裝備在系統設計和製造方面提出了非常高的要求。為了解決這些問題，團隊成員分工協作，一遍遍地查資料，一遍遍地做測試，一遍遍地檢查，一點點地琢磨，常常為了一個問題的解決通宵達旦地工作，最終硬是憑着不懈的努力，把一個個難題啃了下來。就拿材料送進系統來說，初看似乎是一個簡單的東西，把粉末送出來就行。但是對於激光立體成形來說，一方面要求必須具有充足的送粉量，這要求送粉管不能太細，另一方面還要求送出的粉末流直徑要和激光束斑的直徑相當，並準確投射到激光形成的小熔池中，以保證沉積效率和成形幾何和表面精度。開始的時候採用的是熱噴塗的送粉噴嘴，送粉量是足夠了，但是送出的粉末流直徑達到了近10毫米，而早期中等功率可用的激光束斑直徑通常也就是2—3毫米，也就是說，在成形過程中粉末被大量散失掉了。這一方面使得成形效率大大降低，另一方面散失的粉末粘在熔池以外的零件表面上，搞得零件表面坑坑窪窪。直到有一天，團隊裡一個原來搞航空發動機氣動設計的人員在做實驗時發現了這個問題，指出送粉噴嘴必須要做氣動設計，才可能控制粉末束的流態。為此，大家啃起了氣動原理資料，學習從發動機氣動原理到高速風洞的流道設計的相關知識，找到了噴嘴設計的氣動原理。經過了一次次的失敗，終於將粉末流直徑從近10毫米減小到了近1毫米，大大提高了送進系統的粉末匯聚性和流量穩定精度，使得採用該送粉噴嘴製備零件的成形精度和表面光潔度達到了國際先進水平。像這樣刻苦攻關解決的問題還包括過程監測和反饋控制系統、氣氛控制系統、成形CAPP/CAM及集成控制軟件等。所研製的裝備能夠實現各種金屬材料，包括高活性的鈦合金、鋯合金和鋁合金的複雜結構零件的無模具、快速、近淨成形以及修復再製造。 到2007年，黃衛東與團隊骨幹合作撰寫並出版了本領域中國首部專著《激光立體成形》，這也是國際上第二部涉及激光立體成形的專著；2008年，高性能緻密金屬零件激光立體成形理論、技術與裝備獲得陝西省科學技術一等獎。

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