民用飛機追求長壽命、高減重、安全性及低成本，對于機體結(jié)構(gòu)，主要依賴于新材料、新結(jié)構(gòu)和新技術(shù)，三者是相輔相成的。新結(jié)構(gòu)的設(shè)計，推動新材料、新技術(shù)的發(fā)展，新技術(shù)、新材料的發(fā)展促進新結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，尤其是隨著民機對性能與效益的追求，民機機體結(jié)構(gòu)材料發(fā)生了很大變化，為實現(xiàn)飛機減重及低成本運營，傳統(tǒng)鋁合金作為民機首要結(jié)構(gòu)材料地位逐漸被復(fù)合材料和鈦合金所取代。

　　鈦合金作為一種飛機結(jié)構(gòu)材料，具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕和與復(fù)合材料相容性好等特點，有利于減輕飛機重量、提高飛機安全性和降低綜合成本，以波音787和A380為代表的最新一代民用飛機，其鈦合金用量分別達到15% 和10%，充分體現(xiàn)了鈦合金及制造技術(shù)在國外飛機上的應(yīng)用優(yōu)勢。下面重點介紹以鈦合金粉材、超塑板為半成品的兩種新型制造技術(shù)，從工程化應(yīng)用角度提出需要深入開展的研究工作，以期對未來民機鈦合金應(yīng)用提供新的技術(shù)途徑。

　　激光成形及修復(fù)技術(shù)（LRF/LR）

　　激光成形技術(shù)是20世紀(jì)90年代中期發(fā)展起來的一項先進實體成形技術(shù)，該技術(shù)以“離散+堆積”的成形思想為基礎(chǔ)，綜合利用激光、計算機、冶金和新材料等學(xué)科的高新技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)、致密金屬零件的無模、快速、直接近凈成形，在航空領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-6]。

　　基本原理是：構(gòu)建零件的三維模型，將模型按一定厚度進行“切片”處理，即將零件的3D數(shù)據(jù)信息離散成一系列2D輪廓信息；再用激光熔覆的方法將粉材按照2D輪廓信息逐層堆積，獲得3D實體；最后進行后續(xù)處理（少量機加、熱處理等）。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，該技術(shù)具有以下特點：

　　（1）高柔性：無需專用工裝夾具，無需大規(guī)格原材料，通過軟件程序驅(qū)動實現(xiàn)柔性加工；

　　（2）精密性：產(chǎn)品復(fù)雜程度（形狀和尺寸）受限制小，適用于成形大型/空腔（心）/薄壁類結(jié)構(gòu)零件，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品近凈成形；

　　（3）高品質(zhì)：高能激光的快速熔化和凝固獲得致密組織，力學(xué)性能達到或超過鍛件水平；

　　（4）低成本：材料利用率高（遠高于鍛件利用率），后續(xù)機加工量小，從原材料到零件的整個制造周期短（相對鍛造可縮短2/3以上），綜合成本低于傳統(tǒng)制造技術(shù)；

　　（5）匹配性：根據(jù)實際使用需要能夠?qū)崿F(xiàn)不同合金制造或“變成分”零件制造，滿足不同部位的服役條件與性能要求。

　　從以上特點分析，對于大型整體構(gòu)件，采用該技術(shù)可以避免傳統(tǒng)制造技術(shù)對設(shè)備及大規(guī)格原材料的苛刻要求，對于復(fù)雜腔體結(jié)構(gòu)，采用該技術(shù)解決了常規(guī)成形工藝很難或無法實現(xiàn)的加工困難。同時解決了傳統(tǒng)制造技術(shù)存在的材料利用率低、變形抗力大、加工周期長、制造成本高等問題。

　　國外有關(guān)激光成形技術(shù)研究以美國為主，包括美國Los Alamos國家實驗室、Sandia國家實驗室、AeroMet公司和GE公司等。其中AeroMet公司主要致力于飛機鈦構(gòu)件激光成形技術(shù)開發(fā)及工程化應(yīng)用，該公司采用該技術(shù)生產(chǎn)了多個飛機的次承力鈦合金構(gòu)件，綜合性能與鍛件相當(dāng)，已在先進的軍民用飛機上裝機應(yīng)用。國內(nèi)先后有西北工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京有色金屬研究總院等單位針對TC4、TA15等航空結(jié)構(gòu)鈦合金開展了該技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，部分單位的研究成果已實際裝機[6-8]。圖1是國內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)利用激光成形技術(shù)制造的飛機零件。

　　圖1 激光成形飛機零件（a）波音公司生產(chǎn)的零件

　　圖1激光成形飛機零件（b）國內(nèi)成形的零件

　　另外，目前，鈦合金鍛鑄件應(yīng)用廣泛，但受設(shè)備、工藝技術(shù)和刀具等限制，生產(chǎn)的鍛鑄件及零件經(jīng)常出現(xiàn)缺肉（鍛造、鑄造）、裂紋（鍛造、鑄造、熱處理）、尺寸超差（鍛造、鑄造、誤加工）等問題，嚴(yán)重影響了型號研制進度。基于激光成形的修復(fù)技術(shù)應(yīng)運而生，相對常規(guī)的修復(fù)技術(shù)，具有修復(fù)體性能高，設(shè)備可達性好，受零件尺寸限制小、修復(fù)周期短、綜合成本低等特點，適用于鈦合金等昂貴零件的修復(fù)，可最大限度地挽救常規(guī)技術(shù)不可修復(fù)的零件（包括運營飛機的零件），為解決飛機研制和使用過程出現(xiàn)缺陷、損傷、腐蝕等提供了一種新的快捷的解決途徑，國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)最先開展激光修復(fù)技術(shù)研究[9-10]，已為國內(nèi)多個型號飛機及發(fā)動機提供了激光修復(fù)技術(shù)服務(wù)，圖2是激光修復(fù)的某發(fā)動機磨損零件。

　　圖2激光修復(fù)某飛機零件（a）修復(fù)前

　　圖2激光修復(fù)某飛機零件（b）修復(fù)后

　　激光成形及修復(fù)技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用還不十分成熟，要實現(xiàn)該技術(shù)在民機上的工程化應(yīng)用，需要針對民機使用要求、結(jié)構(gòu)特點等盡快開展以下研究工作，以確保民機安全可靠的應(yīng)用。

　　（1）激光成形及修復(fù)內(nèi)在機理深化研究，包括成形及熱處理工藝與組織、性能控制，內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律及消除，抑制變形開裂等基礎(chǔ)研究；

　　（2）激光成形及修復(fù)制造技術(shù)研究，開發(fā)工程化應(yīng)用成套設(shè)備，提高成形穩(wěn)定性，完善實時檢測手段，實現(xiàn)精度（尺寸與形狀）和速率的最佳匹配；

　　（3）激光成形及修復(fù)質(zhì)量評價技術(shù)研究，建立成套技術(shù)文件體系，包括制造標(biāo)準(zhǔn)和試驗標(biāo)準(zhǔn)等；

　　（4）激光成形及修復(fù)全尺寸結(jié)構(gòu)靜力與疲勞考核驗證，以適航標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)進行符合性驗證，確保民用飛機安全可靠使用。

　　超塑性成形及擴散聯(lián)接技術(shù)（SPF/DB）

　　超塑性成形及擴散聯(lián)接（SPF/DB）是航空領(lǐng)域多年來重點發(fā)展和應(yīng)用的一種近無余量先進成形技術(shù)，通過在一次加熱、加壓過程中成型整體構(gòu)件，不需要中間處理，能有效減輕結(jié)構(gòu)重量和提高材料利用率，可為設(shè)計提供更大的自由度，具有廣闊的應(yīng)用前景[11-16]。

　　基本原理是：利用金屬及合金的超塑性和擴散焊無界面的一體化特點，在材料超塑溫度和擴散焊溫度相近時，采用吹脹或模鍛法在一次加熱、加壓過程中完成超塑成形和擴散連接兩道工序，從而制造高精度復(fù)雜的大型整體構(gòu)件。該技術(shù)具有以下特點：

　　（1）成形壓力低/變形大而不破壞；

　　（2）外形尺寸精確，無殘余應(yīng)力和回彈效應(yīng)；

　　（3）節(jié)省裝備，縮短制造周期；

　　（4）改善結(jié)構(gòu)性能，提高結(jié)構(gòu)完整性，延長機體壽命；

　　（5）降低制造成本，減輕結(jié)構(gòu)重量。

　　從以上特點分析，SPF/DB簡化了零件制造過程和裝配過程，減少了零件（標(biāo)準(zhǔn)件）和工裝數(shù)量，消除大量連接孔，避免了連接裂紋及疲勞問題，有利于提高結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性，尤其適合于加工復(fù)雜形狀的零件，如飛機機翼、機身框架、發(fā)動機葉片等。對于鈦合金，SPF/DB 解決了鈦合金冷成形和機加工難的缺點，促進了鈦合金整體構(gòu)件的使用，相對常規(guī)金屬結(jié)構(gòu)，夾層結(jié)構(gòu)具用足夠的疲勞強度、良好的塑性和斷裂韌性。

　　英國、美國是世界上開展SPF/DB技術(shù)研究及應(yīng)用較早的國家，目前已建立了專業(yè)化生產(chǎn)廠，如英國TKR 公司、羅·羅公司、Superform公司和美國RTI公司等都具有很強的鈦合金SPF/DB 結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)能力。另外，法國、德國、俄羅斯以及日本對鈦合金SPF/DB技術(shù)也進行了大量研究和應(yīng)用，具備了較強的鈦合金SPF/DB結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)能力。

　　國外SPF/DB鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機上的應(yīng)用廣泛，如民機A300、A310/320的前緣縫翼收放機構(gòu)外罩，A330/A340機翼檢修口蓋、駕駛艙頂蓋、縫緣傳動機構(gòu)，前緣D型鼻錐等，波音777發(fā)動機氣動艙門和A380飛機吊艙艙門等。以上結(jié)構(gòu)采用SPF/DB工藝實現(xiàn)減重10%~46%不等，技術(shù)經(jīng)濟效益顯著。國內(nèi)開展鈦合金SPF/DB研究已多年[17-20]，應(yīng)用結(jié)構(gòu)包括口蓋（2層）、腹鰭（4 層）、發(fā)動機整流葉片等，取得了一定的減重效果和經(jīng)濟效益。圖4 為某飛機TC4 鈦合金SPF/DB腹鰭結(jié)構(gòu)，已通過了全尺寸靜力試驗考核，結(jié)果證明滿足設(shè)計要求，成本降低16％，減重11％，但國內(nèi)還未開展該技術(shù)在民機上的應(yīng)用。

　　SPF/DB在國外已比較廣泛地應(yīng)用于軍民用飛機，顯示出巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益，但在國內(nèi)還處于應(yīng)用初期，沒有充分發(fā)揮這一技術(shù)優(yōu)勢。針對民用飛機使用要求、主要結(jié)構(gòu)特點等，要實現(xiàn)該技術(shù)的工程化成熟應(yīng)用，需要盡快開展以下研究工作：

　　（1）SPF/DB結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，目前，SPF/DB技術(shù)多用于層板結(jié)構(gòu)，這種板結(jié)構(gòu)在強度方面存在不足。因此，應(yīng)大力發(fā)展體積成形與擴散連接結(jié)合的新型SPF/DB構(gòu)件。

　　（2）SPF/DB制造控制技術(shù)，包括成形過程組織演變和變形機制，工藝過程控制與加工過程自動化，結(jié)構(gòu)完整性及應(yīng)力與變形控制，實現(xiàn)組織與性能匹配。

　　（3）SPF/DB質(zhì)量評估與檢測技術(shù)，建立設(shè)計用性能數(shù)據(jù)庫，研制低成本檢測技術(shù)，提高檢測精度，制定質(zhì)量控制程序和檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

　　（4）SPF/DB結(jié)構(gòu)靜力與疲勞考核驗證，以適航標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)進行符合性驗證，確保民用飛機安全可靠使用。

　　結(jié)束語

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和國民對生活質(zhì)量的追求，國內(nèi)對具有更低油耗、更長壽命和更好使用性能的飛機需求將更加迫切。鈦合金具有的輕質(zhì)、高強、耐腐蝕和耐高溫等特性為民用飛機的設(shè)計和制造提供了更多的自由度，有利于民用飛機性能的實現(xiàn)和提高市場競爭力，這對從事鈦合金及制造技術(shù)研究的科研工作者來說是一次難得的機遇。

　　長期以來，由于鈦合金自身物理、加工特性，采用傳統(tǒng)制造技術(shù)進行鈦合金零件加工存在周期長、材料利用率低、成本高等弊端，基于飛機研制周期和經(jīng)濟性考慮，往往使得飛機設(shè)計人員不得不放棄優(yōu)先選用，很大程度上阻礙了其在飛機上的擴大應(yīng)用。隨著LRF、SPF/DB技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了鈦合金材料利用率低、加工困難等問題，同時也縮短了制造周期、降低了制造成本。目前，盡管兩種新技術(shù)在國內(nèi)還處于研究和初步應(yīng)用階段，相信只要從事鈦合金材料、制造和飛機設(shè)計等行業(yè)科技人員共同努力，同時承擔(dān)起促進LRF、SPF/DB技術(shù)工程化應(yīng)用的責(zé)任，必將為未來民用飛機研制提供新的技術(shù)途徑。