3D打印鈦合金不容易

    這種名為“激光立體成形（Laser Additive Manufacturing）”的3D打印技術通過激光融化金屬粉末，幾乎可以“打印”任何形狀的產品。其最大的特點是，使用的材料為金屬，“打印”的產品具有極高的力學性能，能滿足航空航天、模具、汽車、醫學、齒科、工藝品等不同行業的需求。

    3D打印技術可以追溯到1984年，Charles Hull最早開發出從數字數據打印出3D物體的技術并在2年后開發出第一臺商業3D印刷機。隨后在整個90年代不斷完善了其基本技術和規范，并在21世紀出投入了應用。

    鈦是一種密度只有鋼鐵的一半，強度卻遠勝于絕大多數合金的材料，被廣泛用于航天航空業。美國是最早開發鈦合金3D打印技術的國家。1985年，美國就在國防部的主導下秘密開始了鈦合金激光成形技術的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國繼續研發這一技術，并在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰機試驗。

美國3D鈦合金打印技術的若干樣品，都是尺寸有限的小零件

    然而，因為在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術難題無法解決，美國始終無法生產高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業務的商業公司Aeromet由于始終無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構件，沒有實現有價值的市場應用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，目前只能進行小尺寸鈦合金部件的打印和鈦合金零件表面修復。

    中國鈦合金3D打印后來居上

    我國的鈦合金激光成形技術起步較晚，直到1995年美國解密其研發計劃3年才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學習，在全國多所大學和研究所設立實驗室進行研究。其中，中航激光技術團隊取得的成就最為顯著。

    早在2000年前后，中航激光技術團隊就已經開始投入“3D激光焊接快速成型技術”研發，在國家特別是軍方資金的持續支持下，經過數年研發，解決了“惰性氣體保護系統”、“熱應力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術難題、生產出結構復雜、尺寸達到4m量級、性能滿足主承力結構要求的產品，具有了商業應用價值。

    目前，我國已經具備了使用激光成形超過12平方米的復雜鈦合金構件的技術和能力，并投入多個國產航空科研項目的原型和產品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造并且裝機工程應用的國家。

    節約90%的材料和成本

    在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構件在航空領域有著廣泛的應用前景。目前，先進戰機上的鈦合金構件所占比例已經超過20%。

    傳統的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術都無法制造復雜的鈦合金構件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。

    激光鈦合金成形技術則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術，它節約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結構件，粗略估計，傳統工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D焊接快速成型技術的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統工藝的5%。

    更重要的是，許多復雜結構的鈦合金構建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術制造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%。

    下一代國產飛機的關鍵技術

    在航空領域，中國激光鈦合金成形技術已經得到了廣泛的應用。

    在中航成飛和沈飛的下一代戰斗機的設計研發中，激光鈦合金成形技術已經得到了廣泛運用。通過這一技術，正在研制的兩型第五代戰斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結構，成功降低了飛機的結構重量，提高了戰機的推重比；依托激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，沈飛在一年之內連續組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰斗機并且進行試飛。

    憑借激光鈦合金成形技術，中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列，并為中國航空工業的發展打下了堅實的基礎。