大國不可能永遠做不好發動機！國產發動機材料技術已開始出現井噴

高性能金屬構件激光增材製造( 俗稱3D 列印)技術，是一種將「高性能材料製備」與複雜金屬零件近凈成形有機融為一體的數字化、綠色、變革性先進位造新技術。與傳統的鍛壓 機械加工、鍛造 焊接等大型金屬構件製造技術相比，具有製造流程短，綜合力學性能優異，材料利用率高，生產成本較為低廉等一系列優點，在某些方面甚至可代替價格極其昂貴的大型鍛鑄工業裝備，近20年來已成為國際材料加工工程與先進位造技術學科交叉領域的前沿研究熱點。美國政府和工業界甚至將3D列印技術列為引發新一輪工業革命的21世紀關鍵技術。在我國，3D列印技術也不斷獲得重大突破，取得了一系列具有國際領先水平的重大成果。

例如北京航空航天大學大型金屬構件增材製造國家工程實驗室在王華明院士團隊率領下，經20餘年的不懈研究，在國際上率先突破了飛機鈦合金等大型關鍵主承力構件激光增材製造工藝、成套裝備、內部質量和力學性能控制及工程應用關鍵技術。自2005 年以來，激光增材製造鈦合金飛機機身主承力框、翼身根肋、起落架等大型整體關鍵承力構件，在國產海空軍新一代戰鬥機，大型運輸機、運載火箭等航空航天重大裝備研製和生產中獲得了廣泛應用。最新消息稱，已研製成功具有原創核心技術、世界最大的激光增材製造設備（成形能力達7米×4米×3.5米），以及世界最大的16平方米3D列印（某大型轟炸機）某發動機鈦合金加強框。2016年1月18日，王華明院士主持的「飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術」項目獲得國家技術發明一等獎。

軍事觀察者根據國內外公開資料推測，王華明院士在我國新一代重型和中型隱身戰鬥機用發動機關鍵部件：高溫鈦合金雙性能整體葉盤也獲得了重大進展，採用了激光快速成形雙相鈦合金「 特種熱處理」新工藝, 激光增材製造出了具有梯度組織和梯度性能的先進航空發動機鈦合金整體葉盤，具有極為優異的綜合力學性能。新一代高性能軍用飛機的優異作戰性能強烈依賴於先進高推重比航空發動機的應用，而整體葉盤技術將發動機葉片、輪盤等零件集成設計為一個整體構件，可大幅減少零件數量，減輕結構質量，從而提高發動機的推重比和使用可靠性。有資料稱較與傳統的榫齒連接結構相比，每個整體葉盤可減重約30％。

國外第三代航空發動機的最新改型，如F414，Ｆ110-GE-129G,Ｆ100-PW-229A發動機均部分改用了整體葉盤，大幅提高了發動機推重比；第四代發動機如EJ200，Ｆ119，Ｆ135的風扇和高壓壓氣機則全部使用了整體葉盤製造技術。隨著整體葉盤結構設計和加工能力的提升及工程應用經驗的積累，其在發動機中的應用技術不斷發展成熟。傳統鈦合金風扇和高壓壓氣機轉子採用榫齒連接結構，葉片和盤分開製造，可以靈活選用不同材料或同一材料不同組織狀態，這是因為葉片需要高的強度、塑性和高周疲勞強度性；而碟片則需要優異的耐高溫性、低周疲勞性及損傷容限性，兩者性能要求截然不同。整體葉盤如果採用同一種組織狀態，往往難以滿足葉片和盤不同的受力和受熱條件要求，在一定程度上各自損失了一些性能。為了挖掘整體葉盤的最大性能潛力，必須發展雙性能整體葉盤技術。

目前雙性能整體葉盤技術的製造方法主要採用是焊接法，通過線性摩擦焊等技術將不同性能的葉片和碟片焊接為一個整體。然而焊接法的最大問題是連接區域往往會成為整個構件的薄弱環節，這對於強調高可靠性和長壽命的航空發動機高速轉動部件來說是個重要隱患。隨著增材製造技術的發展和不斷成熟，人們提出直接在盤體上增材生長出葉片，通過同軸送粉激光熔覆方法，在鈦合金盤體邊緣預先加工出凸台，逐層堆積成鈦合金葉片。

北航王華明院士團隊經長期研究發現，鈦合金激光增材製造過程中移動熔池凝固存在池底外延生長和熔池表面異質形核兩種主導凝固方式，通過對熔池凝固兩種主要方式的主動控制即可實現對增材製造金屬構件凝固晶粒形態和力學性能的主動控制。第一種熔池方式可使構件獲得定向生長全柱狀晶組織，其具有優異的高溫持久蠕變性能，第二種方式可使構件獲得各向同性力學性能優異的等軸晶凝固組織。這兩種方式通過人為交替排列，可獲得「鋼筋混凝土狀」混合凝固晶粒組織。這種混合凝固晶粒組織迄今未見國內外報道、傳統冶金鍛鑄技術也無法製備。該技術實現了整體葉盤葉片和盤體組織性能的精確控制，特別是整體葉盤的盤體到葉片的關鍵過渡區，實現了組織性能的平穩漸進過渡，達到了航空發動機專家所希望的要求。

北航王華明院士團隊還對激光增材製造雙性能整體葉盤技術後續熱處理技術進行了深入研究，經特殊熱處理後其塑性變形抗力尤其是抵抗裂紋擴展能力極其優異，與傳統鍛造鈦合金相比，其疲勞裂紋擴展門檻值提高了61%，而疲勞裂紋擴展速率降低一個數量級以上。隨著激光增材製造雙性能整體風扇和高壓壓氣機葉盤技術的逐漸成熟，高溫合金渦輪盤增材製造技術有可能成為王華明院士團隊下一個重點攻克的技術難點，有望為我國航空發動機技術趕超發達國家做出新的貢獻。

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