由3D打印引發(fā)的鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域發(fā)展方向的思考

鍛造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域已應(yīng)用多年，主要用于制造飛機、發(fā)動機承受交變載荷和集中載荷的關(guān)鍵和重要零件。飛機上鍛件制成的零件重量約占飛機機體結(jié)構(gòu)重量的20%~35%和發(fā)動機結(jié)構(gòu)重量的30%~45%，是決定飛機和發(fā)動機的性能、可靠性、壽命和經(jīng)濟性的重要因素之一，可見鍛造技術(shù)的發(fā)展對航空制造業(yè)有著舉足輕重的作用。

隨著航空產(chǎn)業(yè)不斷的發(fā)展，對航空裝備極端輕質(zhì)化與可靠化的追求越來越急迫，鍛造技術(shù)的瓶頸已逐漸顯現(xiàn)，尤其在大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件和精密復(fù)雜構(gòu)件的制造方面。同時，被稱為“第三次工業(yè)革命”、“野蠻神器”的新型技術(shù)——3D打印技術(shù)又給鍛造技術(shù)帶來了沖擊，其制造理念的顛覆、加工周期的大幅縮短、材料利用率的大幅提高、低碳環(huán)保的制造方式等都直接威脅鍛造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，甚至有人認(rèn)為3D打印技術(shù)可以替代鍛造技術(shù)用于航空制造領(lǐng)域。面對這些問題，鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域?qū)⑷绾伟l(fā)展是目前急需研究的課題。

本文從3D打印技術(shù)的背景及應(yīng)用現(xiàn)狀出發(fā)，分析比較該技術(shù)與鍛造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的優(yōu)缺點，并根據(jù)作者多年在鍛造企業(yè)的管理經(jīng)驗，探討了鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域發(fā)展的方向，為鍛造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供新的思路。

金屬3D打印的發(fā)展歷程

1 3D打印技術(shù)“熱”的背景

3D打印技術(shù)屬于一種非傳統(tǒng)加工工藝，也稱為增材制造，是全球先進制造領(lǐng)域興起的一項集光、機、電、計算機、數(shù)控及新材料于一體的先進制造技術(shù)，該技術(shù)的核心制造思想最早起源于美國，至今已有120多年。由于2012年3月9日美國總統(tǒng)奧巴馬宣布的美國“制造創(chuàng)新國家網(wǎng)絡(luò)”計劃中，將“增材制造”作為第一個中心的研究方向，從而引起了3D打印技術(shù)風(fēng)靡全球，經(jīng)濟學(xué)人將其稱為“第三次工業(yè)革命”，《南方周末》將其敘述為“野蠻神奇”要革制造業(yè)的命。

2 3D打印技術(shù)在金屬零件制造領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

從20世紀(jì)90年代中期開始，利用“3D打印”技術(shù)思想進行金屬零件的直接生產(chǎn)成為該技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展最為迅速的方向，短短幾年間誕生了多種技術(shù)方法，如美國Sandia國家實驗室的Laser Engineered Net Shaping、瑞士洛桑理工學(xué)院的Laser Metal Forming、美國Los-Alamos國家實驗室的Directed Light Fabrication、美國密西根大學(xué)和英國利物浦大學(xué)的Direct Metal Deposition、加拿大國家研究委員會集成制造技術(shù)Laser Consolidation、美國賓州大學(xué)的Laser Free-Form Fabrication、美國Aeromet的Laser Forming以及英國伯明翰大學(xué)的Direct Laser Fabrication等[2-10]。這些方法雖然名稱不同，但在原理上都是基于3D打印技術(shù)的增材制造理念。

值得注意的是，美國軍方對這項技術(shù)的發(fā)展給予了相當(dāng)?shù)年P(guān)注和支持，在其直接支持下，美國率先將這一先進技術(shù)實用化，其中成立于1997年的AeroMet公司生產(chǎn)的3個Ti-6Al-4V激光快速成形零件獲準(zhǔn)在實際飛機上使用，這3個零件分別是F-22上的一個接頭件、F/Al8-E/F的機翼翼根吊環(huán)以及F/A-l8E/F上的一個用于降落的連接桿。近期，美國空軍和洛克希德·馬丁公司已經(jīng)宣布與Sciaky公司成為合作伙伴，并且計劃使用該公司生產(chǎn)的3D打印機制作飛機部件裝備正在生產(chǎn)的F-35戰(zhàn)斗機[11]。GE公司收購了Morris技術(shù)公司以及3D打印服務(wù)快速質(zhì)量制造公司，計劃利用3D打印技術(shù)生產(chǎn)發(fā)動機噴嘴[12]。

目前，國內(nèi)在金屬3D打印技術(shù)領(lǐng)域已處于國際先進水平。北京航空航天大學(xué)王華明團隊為國產(chǎn)C919、J15、J20、J31提供航空結(jié)構(gòu)件，并于2012年憑借“大型復(fù)雜整體鈦合金結(jié)構(gòu)件激光成型制造技術(shù)及裝備”獲得國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。 西北工業(yè)大學(xué)黃衛(wèi)東團隊試制成功C919大飛機翼肋TC4上、下緣條構(gòu)件，該類零件尺寸達450mm×350mm×3000mm。華中科技大學(xué)史玉升團隊運用該技術(shù)生產(chǎn)六缸發(fā)動機缸蓋，7天內(nèi)整體成形四氣門六缸發(fā)動機缸蓋砂芯。

金屬3D打印與鍛造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用的對比分析

航空工業(yè)是國防實力的重要體現(xiàn)，其制造技術(shù)發(fā)展的程度已經(jīng)成為衡量一個國家綜合經(jīng)濟實力與科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。而新型制造技術(shù)的應(yīng)用和傳統(tǒng)制造技術(shù)的變革是航空制造技術(shù)發(fā)展的重要推動力。金屬3D打印作為新興制造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域能否廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)鍛造技術(shù)能否滿足新一代航空裝備制造的需求，作者從以下2個方面進行對比分析。

1金屬3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)缺點

金屬3D打印技術(shù)特點突出，即無需模具的自由近凈成形，且全數(shù)字化、高柔性，打印的零件材質(zhì)全致密、沒有宏觀偏析和縮松，具有較高的性能等。根據(jù)相關(guān)報道[13]，利用LSF（激光立體成形技術(shù)，屬于金屬3D打印技術(shù)的一種）制造航空用盤型零件材料利用率高達2/3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鍛造和鑄造，而設(shè)計修改時間、加工循環(huán)周期、返修率、費用均較低。采用LSF技術(shù)制造的Ti6Al4V、316L不銹鋼、Inconel625合金拉伸性能均優(yōu)于鍛件。

高的材料利用率、較短的制造周期且能兼顧復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和很高的力學(xué)性能，又可實現(xiàn)多種材料任意復(fù)合滿足對構(gòu)件各部位性能要求顯著不同的場合，對急需解決的研制任務(wù)又能快速響應(yīng)，由此可見金屬3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的優(yōu)點非常明顯。

而隨著航空工業(yè)的不斷發(fā)展，追求高推比飛機的同時，更加注重飛機整體質(zhì)量的穩(wěn)定性。故在航空制造中，追求質(zhì)量的穩(wěn)定尤為重要。由于金屬3D打印技術(shù)發(fā)展時間較短，產(chǎn)業(yè)鏈及商業(yè)化應(yīng)用體系不健全，未形成適用于航空制造的質(zhì)量控制規(guī)范，如金屬3D打印的工藝規(guī)范、驗收標(biāo)準(zhǔn)、檢測標(biāo)準(zhǔn)等，無法確保質(zhì)量的一致性及穩(wěn)定性。聯(lián)系金屬3D打印技術(shù)特點，又有以下不足：

目前，3D打印技術(shù)不具備規(guī)模經(jīng)濟優(yōu)勢；沒有形成適合金屬3D打印的材料粉末體系；對晶粒的大小、形貌、取向難以控制；沒有極限測試平臺判斷在使用環(huán)境下金屬3D打印的零件性能是否優(yōu)異；沒有形成較為有效的控制內(nèi)應(yīng)力及零件變形開裂預(yù)防的辦法。

綜上所述，金屬3D打印技術(shù)在航空制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用還有很長的路要走，但對小批量、形狀復(fù)雜、材料昂貴、常規(guī)方法無法加工的零件可以應(yīng)用該技術(shù)進行制造。

2鍛造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

至今，我國航空鍛造技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)能夠滿足第三代軍用飛機及其發(fā)動機的批量生產(chǎn)的需要，質(zhì)量比較穩(wěn)定，鍛件組織致密、可控，性能優(yōu)異，并通過工藝的調(diào)整可以使鍛件不同部位具有不同的組織性能，已經(jīng)滿足各部位性能要求顯著不同的場合，如TC11鈦合金雙性能壓氣機盤的制造[14]。隨著新一代戰(zhàn)機對航空裝備極端輕質(zhì)化與可靠性的不斷追求，飛機和發(fā)動機正朝著高性能、高減重、長壽命、高可靠、低成本的方向不斷發(fā)展，即要求飛機和發(fā)動機結(jié)構(gòu)進一步整體化、零件大型化，這就對航空鍛造技術(shù)及鍛造設(shè)備有了更高的要求。

目前，在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用的鍛造技術(shù)仍然是以普通鍛造技術(shù)為主，而精密鍛造技術(shù)僅在發(fā)動機葉片類鍛件中應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計[1]，我國航空鍛件的材料利用率約為15%~25%，其中大型鍛件的材料利用率為10%~15%，環(huán)形鍛件的材料利用率僅3%~10%，鍛件“肥頭大耳”，造成零件加工時大量的昂貴金屬材料變?yōu)閺U削，鍛件近表面的致密層不復(fù)存在，纖維組織被分割，影響和降低零件的力學(xué)性能和表面完整性；且模具成本高、加工周期長，受鍛造設(shè)備噸位的限制，鍛件的尺寸受到制約。可以說，在大型復(fù)雜整體結(jié)構(gòu)件和精密復(fù)雜構(gòu)件的制造方面，傳統(tǒng)鍛造技術(shù)的瓶頸已逐漸顯現(xiàn)。

鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域的發(fā)展方向

隨著先進鍛造技術(shù)對優(yōu)質(zhì)、精密、高效、環(huán)保、低成本目標(biāo)的不斷追求，鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)從5個方面進行考慮。第一，應(yīng)滿足新一代航空裝備制造大型化、整體化的需求；第二，應(yīng)發(fā)展低成本、高可靠鍛造技術(shù)；第三，應(yīng)考慮低碳、環(huán)保的制造方式；第四，應(yīng)針對新型制造技術(shù)的特點，結(jié)合鍛造技術(shù)，發(fā)展高效率的復(fù)合制造技術(shù)；第五，應(yīng)在鍛造產(chǎn)業(yè)中發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟制造。

1發(fā)展低成本、高可靠的鍛造技術(shù)

在航空制造領(lǐng)域鍛造技術(shù)主要用于飛機及發(fā)動機零件的制造，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，主要有自由鍛技術(shù)、模鍛技術(shù)和環(huán)軋技術(shù)，而自由鍛技術(shù)除在新型號飛機試制部分零件選用之外，很少直接應(yīng)用于零件的制造，往往是作為給模鍛制坯的工序。因此，發(fā)展先進的模鍛技術(shù)和環(huán)軋技術(shù)是鍛造技術(shù)在航空制造領(lǐng)域發(fā)展的方向。

1.1發(fā)展等溫精密鍛造技術(shù)

等溫精密鍛造技術(shù)是模鍛技術(shù)的一種，該技術(shù)要求自始至終模具與工件保持相同的溫度，以低應(yīng)變速率進行變形的一種鍛造方法。為防止鍛件和模具的氧化，常在真空或惰性氣體保護的條件下進行，能夠生產(chǎn)出鍛后不需機加工的凈型鍛件或是僅需要少量加工的鍛件，材料利用率高，鍛件組織性能比普通鍛件優(yōu)異。

近年來等溫精密鍛造技術(shù)在國內(nèi)航空制造領(lǐng)域發(fā)展較快，但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達到大量推廣應(yīng)用的工業(yè)化技術(shù)水平，這主要是因為模具由特殊材料制造，費用比普通模具高得多；且需要溫度均勻可控的模具加熱系統(tǒng)；潤滑劑要求高，能在高溫下充分使用；為防止工件和模具氧化，需要額外的真空或惰性氣體保護裝置。針對這些問題，后續(xù)應(yīng)開發(fā)低成本高溫合金模具材料；進行高溫模具保護涂層和模具修復(fù)技術(shù)研究；進行真空或保護氣氛下的等溫鍛造技術(shù)研究；進行高溫合金模具結(jié)構(gòu)設(shè)計、模具精密鑄造等研究。

1.2發(fā)展精密環(huán)軋技術(shù)

目前，我國在研和批產(chǎn)的各種型號航空發(fā)動機和其他軍工項目中，高溫合金、鈦合金等難變形材料環(huán)件的應(yīng)用非常廣泛。但國內(nèi)現(xiàn)生產(chǎn)的航空航天難變形材料環(huán)件多為矩形或簡單異形截面，材料利用率低，約5%~10%，且尺寸精度差、組織不均勻、加工變形嚴(yán)重等問題較突出。

針對上述問題，如何在提高材料利用率、環(huán)件尺寸精度的同時，滿足新型發(fā)動機對環(huán)件組織性能、組織均勻性及批次穩(wěn)定性等要求，并降低生產(chǎn)成本、縮短研制周期、節(jié)約貴重材料和戰(zhàn)略資源是發(fā)展環(huán)軋技術(shù)的方向。

根據(jù)中航重機股份有限公司（以下簡稱“中航重機”）的子公司貴州安大航空鍛造有限責(zé)任公司前期研究成果，可以從環(huán)件脹形工藝研究、異形環(huán)坯料設(shè)計與制備工藝研究、輾軋/脹形校正/熱處理工藝研究、環(huán)件生產(chǎn)批次穩(wěn)定性研究4方面推動精密環(huán)軋技術(shù)的發(fā)展，重點突破環(huán)件輾軋與脹形匹配性技術(shù)、異形坯料設(shè)計優(yōu)化技術(shù)、環(huán)件殘余應(yīng)力測試與控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，最終滿足先進航空發(fā)動機和其他武器裝備對環(huán)形零件的高性能、低成本、精確化、輕量化、長壽命和短周期制造的需要，使我國軍用精密環(huán)件的生產(chǎn)技術(shù)達到國際先進水平。

2發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟制造

我國經(jīng)過多年的技術(shù)工藝創(chuàng)新和升級，以及國際先進生產(chǎn)設(shè)備的引進和改造，具備了生產(chǎn)飛機發(fā)動機所需特殊鋼材等高端產(chǎn)品的能力。且我國人力資源豐富，用工成本較低，與歐美國家相比，在價格應(yīng)更有競爭優(yōu)勢。但是國內(nèi)特鋼產(chǎn)品報價卻比國外同類產(chǎn)品高出近1倍，這對航空鍛造產(chǎn)業(yè)來說成本巨大。

為何會形成如此高的材料成本，究其原因是未進行廢舊金屬的再利用，如國外在生產(chǎn)過程中，廢舊金屬的再利用率已達70%，而國內(nèi)特鋼生產(chǎn)企業(yè)對廢舊金屬的應(yīng)用為零。根據(jù)多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，在生產(chǎn)過程中廢舊金屬再利用達不到60%，產(chǎn)品的價格就不可能降下來。由此可見，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟制造是航空鍛造產(chǎn)業(yè)降低制造低成本的有效途徑之一。

在航空企業(yè)，像高溫合金、鈦合金等戰(zhàn)略性金屬，從材料到最終產(chǎn)品有效利用率僅為10%~15%，對加工過程中的料削及料頭，由于缺乏專業(yè)回收網(wǎng)絡(luò)和專業(yè)技術(shù)、相應(yīng)管理水平，大部分返回料被降級使用，大量戰(zhàn)略性金屬被浪費，并造成污染。如果能對高溫合金等廢舊貴金屬進行再回收、凈化處理，使這些材料重新進入原材料的供應(yīng)體系，便能有效地提升高端材料的利用率，降低鍛造企業(yè)的材料成本，從而有利于提升鍛鑄產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域的整體競爭能力。

3引進新型制造技術(shù)——金屬3D打印技術(shù)

在航空制造領(lǐng)域，雖然當(dāng)前金屬3D打印技術(shù)不能廣泛應(yīng)用于高端裝備的制造，但在小范圍內(nèi)可有所作為：如飛機結(jié)構(gòu)件一體化制造（翼身一體）、重大裝備大型鍛件制造（核電鍛件）、難加工材料及零件的成形、高端零部件的修復(fù)（葉片、機匣的修復(fù)）等傳統(tǒng)鍛造技術(shù)無法做到的領(lǐng)域。

由此可見，對航空鍛造產(chǎn)業(yè)，可適當(dāng)引進金屬3D打印技術(shù)，通過互補協(xié)同式發(fā)展，解決軍工多品種、少批量產(chǎn)品鍛造成本過高問題，并快速響應(yīng)解決型號研制的急迫技術(shù)難題、解決客戶個性設(shè)計的需求等。中航重機已與北京航空航天大學(xué)合作，成立了中航天地激光科技有限公司，引入金屬3D打印技術(shù)，在航空領(lǐng)域已有多項金屬3D打印產(chǎn)品應(yīng)用于新型號，節(jié)約成本的同時，提高了鍛造產(chǎn)業(yè)核心競爭力。

結(jié)束語

新型制造技術(shù)——金屬3D打印在航空制造領(lǐng)域的快速發(fā)展，是對航空鍛造產(chǎn)業(yè)的挑戰(zhàn)，同時也是機遇。鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域的發(fā)展離不開先進的鍛造技術(shù)，所以發(fā)展低成本高可靠的先進鍛造技術(shù)是根本，如等溫鍛造技術(shù)、先進精密環(huán)軋技術(shù)等，都是航空鍛造技術(shù)發(fā)展的方向。而利用高溫合金、鈦合金等廢舊貴金屬料削發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟制造是鍛造產(chǎn)業(yè)降低成本的有效途徑之一。引入金屬3D打印技術(shù)，與鍛造技術(shù)互補協(xié)同式發(fā)展是鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域發(fā)展的新思路。可以說，隨著我國航空制造業(yè)的快速發(fā)展，引進多種新型制造技術(shù)協(xié)同式發(fā)展是鍛造產(chǎn)業(yè)在航空制造領(lǐng)域發(fā)展的必由之路。

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