揭开中国飞机制造电子束快速成形技术神秘面纱(ZT)

　　电子速快速成形技术，是指利用计算机把零件的三维CAD模型进行分层处理，获得各层截面的二维轮廓信息并生成加工路径，以高能量密度的电子束作为热源，按照预定的加工路径，在真空室内熔化送进的丝材，逐层堆积，最终实现致密金属零件的近净成形直接制造，其优势是实现大型复杂金属零件的直接快速制造，与传统去除成形和体积成形技术思想明显不同。在进行大型整体金属结构的制造时，电子束快速成形是对现有铸造、锻造等制造技术的补充而非取代，将为飞机结构设计师提供一种全新的解决方案，尤其是在研制阶段及小批量生产时，其快速反应、无需模具的优势更为突出。

　　电子束快速成形技术具有一些独特的优点，主要表现在以下几个方面：研制速度快、周期短、成本低、零件性能好。电子束可以很容易达到几十千瓦级功率输出。对钛合金及铝合金，最大成形速度可以达到15kg/h；电子束快速成形在<5×10-2Pa的真空环境中进行，对处于高温状态的金属材料的保护效果更好，非常适合钛、铝等活性金属的加工；与锻造/铸造+机械加工技术相比，电子束熔丝沉积快速成形技术无需大型铸、锻模具，直接由零件CAD模型转化成近净成形的零件毛坯，无需中间态热处理和粗加工等工序；材料可节省80%～90%，可减少80%的机械加工量，缩短80%以上的生产周期；有效降低成本，对于航空航天领域的昂贵金属材料，如钛合金、铝合金、镍基合金等，成本节约尤为可观；零件内部致密，缺陷率低，钛合金超声波探伤可达AA级标准。


　　电子束快速成形技术是世界航空制造业的研究热点之一，飞机结构中形状异常复杂的钛合金结构如果采用锻件制造，一方面周期较长，另一方面，锻件毛坯厚度变化很大，难以保证内部质量及力学性能的均匀性；还有一些零件，在设计阶段，结构需要多次修改，而用传统方法难以适应这种快速变化。随着航空制造技术的飞速发展，对零件制造周期及成本的要求越来越高，采用电子束快速成形的方法制造复杂结构钛合金零部件可以大大加快设计-验证迭代循环，降低研制开发成本。


　　国外从上世纪90年代开始进行电子束快速成形技术研究，美国麻省理工学院与普惠公司进行了高温合金涡轮盘的试制，2000年以后，在航空航天飞行器结构制造方面得到了快速发展。美国航空航天局、波音公司、洛克希德·马丁公司等均参与了相关技术的测试，并计划将该技术应用于空间站、海军无人机、F-35战斗机等型号上，以降低制造成本，缩短研制周期。中航工业制造所从2006年在国内率先开展该技术的研究，经过多年艰苦努力，终于在型号应用上结出了第一批果实，在国内实现了电子束快速成形技术在飞机上的首次应用。


　　电子束快速成形技术是中航工业制造所重点发展的专业方向之一，受到了各方面高度关注，也被寄予了殷切的希望。中航工业制造所电子束快速成形专业拥有一支充满朝气和激情的年轻研究团队，在中航工业制造所以及高能束流加工技术国家重点实验室的全力支持下，电子束快速成形技术发展十分迅猛。2006年以来，电子束快速成形突破了丝材高速稳定熔凝技术、复杂零件路径优化技术、大型结构变形控制技术、力学性能调控技术、专用材料开发等一系列关键技术，将电子束快速成形技术研究不断推向深入，实现了从技术概念到实现装机应用，从小型原理样机到目前世界领先的电子束成形设备，以及从工艺研究到原材料开发的飞跃，逐步形成了涵盖材料、装备、技术服务全方位发展的态势，取得了瞩目的成绩：电子束快速成形钛合金零件已在飞机结构上实现应用；研制了世界领先的大型电子束快速成形设备；开发了大型整体钛合金零件的电子束快速成形工艺，使中航工业制造所在应用研究及装备开发方面走在了世界先进行列。


　　为了促进电子束快速成形技术的推广应用，飞机中一些复杂钛合金零件采用了电子束快速成形技术研制。伴随零件的研制，完成了大量全尺寸解剖件、随试料性能测试，各项性能指标均满足设计要求，充分验证了电子束快速成形短周期、低成本、高质量、不受零件形状限制、设计思路验证快的特点，保证了型号任务的顺利完成。另一方面，围绕项目的研究，开发出了多种快速成形专用合金材料，申请了发明专利，编制了大量技术规范及标准，初步建立了涵盖原材料、成形工艺、后处理及装备的技术体系，使电子束快速成形技术走上了规范化、专业化的发展道路。


　　随着中国国防科技事业的快速发展，电子束快速成形技术不但在航空航天装备方面，而且在舰船、化工、核能、汽车等领域均具有巨大的应用潜力，发展十分迅速，未来必将有更多应用了电子束快速成形技术的装备出现在扞卫国家利益的前线上。

-----------作者:中航工业制造所 锁红波