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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。 中国钛合金3D打印机制造的大型承力零件 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。 F-22的机身隔框就是由钛合金锻件加工而成
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。 歼-16原型机的快速制造，很大程度上得益于钛合金3D打印的低成本和便捷 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。
五、结束语
采用激光快速技术制造飞机大型整体钛合金结构件，具有无需大型锻造装备及大型锻造模具，材料利用率高，加工量小，成本低，周期短，柔性高效等突出优点，但激光快速成形过程中零件变形开裂预防、内部质量（内部缺陷、晶粒及显微组织等）及力学性能控制、工程化成套装备与过程控制、应用技术标准等是制约飞机大型整体钛合金结构件激光快速技术走向工程应用的关键技术难题。
