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

　　鈦合金作為一種飛機結構材料，具有比強度高、耐高溫、耐腐蝕和與復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%，充分體現了鈦合金及制造技術在國外飛機上的應用優勢。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，從工程化應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用提供新的技術途徑。

　　激光成形及修復技術（LRF/LR）

　　激光成形技術是20世紀90年代中期發展起來的一項先進實體成形技術，該技術以“離散+堆積”的成形思想為基礎，綜合利用激光、計算機、冶金和新材料等學科的高新技術，能夠實現高性能復雜結構、致密金屬零件的無模、快速、直接近凈成形，在航空領域具有廣闊的應用前景[1-6]。

　　基本原理是：構建零件的三維模型，將模型按一定厚度進行“切片”處理，即將零件的3D數據信息離散成一系列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；最后進行后續處理（少量機加、熱處理等）。與傳統制造技術相比，該技術具有以下特點：

　?。?）高柔性：無需專用工裝夾具，無需大規格原材料，通過軟件程序驅動實現柔性加工；

　?。?）精密性：產品復雜程度（形狀和尺寸）受限制小，適用于成形大型/空腔（心）/薄壁類結構零件，能夠實現產品近凈成形；

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

　?。?）低成本：材料利用率高（遠高于鍛件利用率），后續機加工量小，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），綜合成本低于傳統制造技術；

　?。?）匹配性：根據實際使用需要能夠實現不同合金制造或“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，對于大型整體構件，采用該技術可以避免傳統制造技術對設備及大規格原材料的苛刻要求，對于復雜腔體結構，采用該技術解決了常規成形工藝很難或無法實現的加工困難。同時解決了傳統制造技術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。

　　國外有關激光成形技術研究以美國為主，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件激光成形技術開發及工程化應用，該公司采用該技術生產了多個飛機的次承力鈦合金構件，綜合性能與鍛件相當，已在先進的軍民用飛機上裝機應用。國內先后有西北工業大學、北京航空航天大學、北京有色金屬研究總院等單位針對TC4、TA15等航空結構鈦合金開展了該技術的基礎和應用研究，部分單位的研究成果已實際裝機[6-8]。圖1是國內外相關研究機構利用激光成形技術制造的飛機零件。

　　圖1 激光成形飛機零件（a）波音公司生產的零件

　　圖1激光成形飛機零件（b）國內成形的零件

　　另外，目前，鈦合金鍛鑄件應用廣泛，但受設備、工藝技術和刀具等限制，生產的鍛鑄件及零件經常出現缺肉（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，嚴重影響了型號研制進度。基于激光成形的修復技術應運而生，相對常規的修復技術，具有修復體性能高，設備可達性好，受零件尺寸限制小、修復周期短、綜合成本低等特點，適用于鈦合金等昂貴零件的修復，可最大限度地挽救常規技術不可修復的零件（包括運營飛機的零件），為解決飛機研制和使用過程出現缺陷、損傷、腐蝕等提供了一種新的快捷的解決途徑，國內西北工業大學最先開展激光修復技術研究[9-10]，已為國內多個型號飛機及發動機提供了激光修復技術服務，圖2是激光修復的某發動機磨損零件。

　　圖2激光修復某飛機零件（a）修復前

　　圖2激光修復某飛機零件（b）修復后

　　激光成形及修復技術在國內應用還不十分成熟，要實現該技術在民機上的工程化應用，需要針對民機使用要求、結構特點等盡快開展以下研究工作，以確保民機安全可靠的應用。

　　（1）激光成形及修復內在機理深化研究，包括成形及熱處理工藝與組織、性能控制，內應力分布規律及消除，抑制變形開裂等基礎研究；

　　（2）激光成形及修復制造技術研究，開發工程化應用成套設備，提高成形穩定性，完善實時檢測手段，實現精度（尺寸與形狀）和速率的最佳匹配；

　?。?）激光成形及修復質量評價技術研究，建立成套技術文件體系，包括制造標準和試驗標準等；

　?。?）激光成形及修復全尺寸結構靜力與疲勞考核驗證，以適航標準為依據進行符合性驗證，確保民用飛機安全可靠使用。

　　超塑性成形及擴散聯接技術（SPF/DB）

　　超塑性成形及擴散聯接（SPF/DB）是航空領域多年來重點發展和應用的一種近無余量先進成形技術，通過在一次加熱、加壓過程中成型整體構件，不需要中間處理，能有效減輕結構重量和提高材料利用率，可為設計提供更大的自由度，具有廣闊的應用前景[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，從而制造高精度復雜的大型整體構件。該技術具有以下特點：

　　（1）成形壓力低/變形大而不破壞；

　?。?）外形尺寸精確，無殘余應力和回彈效應；

　　（3）節省裝備，縮短制造周期；

　?。?）改善結構性能，提高結構完整性，延長機體壽命；

　?。?）降低制造成本，減輕結構重量。

　　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（標準件）和工裝數量，消除大量連接孔，避免了連接裂紋及疲勞問題，有利于提高結構耐久性和可靠性，尤其適合于加工復雜形狀的零件，如飛機機翼、機身框架、發動機葉片等。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件的使用，相對常規金屬結構，夾層結構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技術研究及應用較早的國家，目前已建立了專業化生產廠，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 結構件的生產能力。另外，法國、德國、俄羅斯以及日本對鈦合金SPF/DB技術也進行了大量研究和應用，具備了較強的鈦合金SPF/DB結構件的生產能力。

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

　　SPF/DB在國外已比較廣泛地應用于軍民用飛機，顯示出巨大的技術經濟效益，但在國內還處于應用初期，沒有充分發揮這一技術優勢。針對民用飛機使用要求、主要結構特點等，要實現該技術的工程化成熟應用，需要盡快開展以下研究工作：

　　（1）SPF/DB結構設計技術，目前，SPF/DB技術多用于層板結構，這種板結構在強度方面存在不足。因此，應大力發展體積成形與擴散連接結合的新型SPF/DB構件。

　　（2）SPF/DB制造控制技術，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，結構完整性及應力與變形控制，實現組織與性能匹配。

　?。?）SPF/DB質量評估與檢測技術，建立設計用性能數據庫，研制低成本檢測技術，提高檢測精度，制定質量控制程序和檢驗標準。

　?。?）SPF/DB結構靜力與疲勞考核驗證，以適航標準為依據進行符合性驗證，確保民用飛機安全可靠使用。

　　結束語

　　隨著社會經濟的發展和國民對生活質量的追求，國內對具有更低油耗、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、高強、耐腐蝕和耐高溫等特性為民用飛機的設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和提高市場競爭力，這對從事鈦合金及制造技術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，采用傳統制造技術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濟性考慮，往往使得飛機設計人員不得不放棄優先選用，很大程度上阻礙了其在飛機上的擴大應用。隨著LRF、SPF/DB技術的出現，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，盡管兩種新技術在國內還處于研究和初步應用階段，相信只要從事鈦合金材料、制造和飛機設計等行業科技人員共同努力，同時承擔起促進LRF、SPF/DB技術工程化應用的責任，必將為未來民用飛機研制提供新的技術途徑。