2013年1月18日，国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发国家技术发明奖一等奖。目前，这一技术在我国已经投入工业化制造，使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家。
更加令人欣喜的是，在性能上，根据公开的材料表明，我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件。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且付诸实用的国家。
钛是一种密度只有钢铁的一半，强度却远胜于绝大多数合金的材料，被广泛用于航天航空业。美国是最早开发钛合金3D打印技术的国家。1985年，美国就在国防部的主导下秘密开始了钛合金激光成形技术的研究，并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术，并在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机试验。
这种名为“激光立体成形(Laser Additive Manufacturing)”的3D打印技术通过激光融化金属粉末，几乎可以“打印”任何形状的产品。其最大的特点是，使用的材料为金属，“打印”的产品具有极高的力学性能，能满足航空航天、模具、汽车、医学、齿科、工艺品等不同行业的需求。
3D打印技术可以追溯到1984年， Charles Hull最早开发出从数字数据打印出3D物体的技术并在2年后开发出第一台商业3D印刷机。随后在整个90年代不断完善了其基本技术和规范，并在21世纪出投入了应用。
钛是一种密度只有钢铁的一半，强度却远胜于绝大多数合金的材料，被广泛用于航天航空业。美国是最早开发钛合金3D打印技术的国家。1985年，美国就在国防部的主导下秘密开始了钛合金激光成形技术的研究，并在1992年公之于众。随后美国继续研发这一技术，并在2002年将激光成形的钛合金零件装上战机试验。
然而，因为在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决，美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年，美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件，没有实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题，目前只能进行小尺寸钛合金部件的打印和钛合金零件表面修复。
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。
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。
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%。
激光快速成形在航空航天、汽车、船舶制造领域优势巨大
快速成形技术是一种数字化的添加材料成型技术，对于产品的几何形状并没有约束，可以说“只要你想得到，我就可以做出来”。因此，设计零部件时可以采用最优的结构设计，而无需顾虑加工问题。而这正是快速制造技术最大优势所在——拓展设计人员的设计空间，尤其是在航空航天、武器装备、汽车等动力装备结构复杂的高端领域。
激光制造技术在航空领域的应用直接体现在航空用钛合金结构件的直接制造以及航空发动机零件的快速修复方面。
欧美已将快速制造技术视为提升航空航天、汽车及武器装备等核心领域水平的关键支撑技术之一。例如，美国能源部大额资助Sandia及LosAlomos国家实验室，开展高性能金属零部件快速制造技术。在美国空军、陆军及国防部联合资助下，该技术在波音、军火巨头洛克西德•马丁公司、国防供应商诺斯洛普格鲁曼等飞机制造企业获得实际应用。
2001年在美国国防部的支持下激光快速成形技术由研究转化为F/A-18E/F、F-22、JSF等先进歼击机上的装机应用。2002年以来激光制造技术成为美国航空航天国防武器装备大型钛合金结构件的核心制造新技术之一。
飞机上大型机构件的传统生产主要采用“锻造+机加工”的方法，该方法工序繁多、工艺复杂、材料利用率低、机械加工量大、数控加工效率低、制造成本高、生产周期长，采用激光制造技术直接制造大型钛合金结构件显示了巨大的优势。
同时，该工艺可直接制造高性能金属零部件，还可制造出薄壁、微孔、中空等特殊结构零部件，在航空航天、汽车等重要领域具有广泛的应用前景。
值得一提的是，目前整个激光材料加工行业按产值从大到小排主要分激光切割、激光打标、激光钻孔、激光焊接、激光表面热处理、激光熔覆、激光合金化等子行业。其中激光切割、钻孔、焊接对激光器和机床精度和控制工艺要求较高，以美、德、日为首的传统制造业强国掌握了尖端技术。但是在激光表面热处理、激光合金化及激光熔覆领域，则是我国的强项，而且我国本身占了全球激光材料加工的15%市场份额，在激光熔覆领域则占到了半壁江山。[JF:Page]
激光快速成形实际上就是激光熔覆的升级版，相对于激光熔覆是表面优质涂层的制备，直接成型则是整体制造的工艺，在控制要求上更为困难和严格，但总体来说，和熔覆是一脉相承的，也就是说，中国的科研力量在这个领域是国际领先的。
我们预计，激光快速成形技术仅在钛合金制造领域，在我国航空、船舶领域的市场规模为20亿元。未来随着我国航空、航天、船舶领域的快速发展，和在其他应用领域的拓展，以及该技术带来的新市场，激光快速成形技术的空间巨大。
3D激光打印产业链从最初的原材料处理、设备制造直到最后的打印应用与服务，即使只有一小部分消费品通过3D激光打印的方式来制造，这也将是一个万亿规模的巨大市场。作为3D打印制造的一种，激光快速成形在航空航天、汽车、船舶制造领域优势巨大。
实现质的飞跃
高性能金属构件激光成形技术是以合金粉末为原料，通过激光熔化逐层堆积（生长），从零件数模一步完成高性能大型复杂构件的“近净成形”。这一技术1992年在美国首先提出并迅速发展。由于高性能金属构件激光成形技术对大型钛合金高性能结构件的短周期、低成本成形制造具有突出优势，在航空航天等装备研制和生产中具有广阔的应用前景，受到政府和业界的高度关注。
在王华明教授看来，从传统的大型钛合金结构件制造方法，如整体锻造、切削技术，到这种新型的激光直接制造技术，实现了加工技术由“减法”到“加法”的质的飞跃。采用整体锻造等传统方法制造大型钛合金结构件，是一个做“减法”的过程。零件的加工除去量非常大。例如，美国的F-22飞机中尺寸最大的Ti6Al4V钛合金整体加强框，所需毛坯模锻件重达 2796千克， 而实际成形零件重量不足144千克， 材料的利用率不到4. 90%，这势必造成大量的原材料损耗。与此同时，在铸造毛坯模锻件的过程中会消耗大量的能源，也降低了加工制造的效率。并且传统方法对制造技术及装备的要求高，通常需要大规格锻坯加工及大型锻造模具制造、万吨级以上的重型液压锻造装备，制造工艺相当复杂，生产周期长、制造成本高。
相较于传统的大型钛合金结构件整体锻造，激光直接制造是一种做“加法”的加工技术，主要用高功率的激光束对粉末丝材进行熔化，往上堆积，实现材料逐层添加，直接根据构件的CAD模型一次加工成形。激光直接制造得到的零件微观组织很细，力学性能很好，也可以实现多种材料铸造。综合来讲，这种技术的优势主要表现为：无需大型锻造工业装备、大型锻造模具及锻坯制备加工；机械加工余量小、材料利用率高、生产周期短；加工过程实现结构件“近净成形”，只需一步完成；加工设计灵活度高，可以实现特殊功能零部件的“原位”铸造；所制备的零件具有优异的综合力学性能，等等。这样就大大降低了制造成本，提高了制造效率与加工质量。
王华明认为，大型钛合金结构件激光直接制造技术确实是一种带有变革性的，短流程、低成本的数字化制造技术，其被国内外公认为是对飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备研制与生产具有重要影响的核心关键制造技术之一。
“产学研”相结合助力“近净成形”结构件飞上蓝天
正是大型钛合金结构件激光直接制造技术所具有的短流程、低成本的特性和广阔的应用前景，引起了国内的高度关注。从2001年起，我国钛合金结构件激光快速成形技术的研究开始受到相关科技管理部门的高度重视，总装备部、国防科工局、国家自然科学基金委员会、国家“973”计划、国家“863”计划等主要科技研究计划, 均将钛合金激光直接成形制造技术作为重点项目给予持续资助。在此背景下，王华明教授带领其科研团队以实现应用为目标，采用“产学研”相结合的方式，与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院等单位展开紧密合作，经过持续十几年的艰辛努力，在突破飞机钛合金小型次承力结构件激光快速成形及应用关键技术的基础上，突破了飞机钛合金大型复杂整体主承力构件激光成形工艺、内部质量控制、成套装备研制、技术标准建立及应用关键技术，使我国成为迄今国际上唯一实现激光成形钛合金大型主承力关键构件在飞机上实际应用的国家。
“研”为“产”之体。技术的突破是实现成功应用的基础。零件“变形开裂”、“内部缺陷和内部组织” 控制是制约激光成形技术的瓶颈，王华明及其科研团队在解决制约激光成形技术的难题方面取得了可喜的成绩。在飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形工艺研究、 工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面取得了突破性的进展，有效解决了激光快速成形钛合金大型整体主承力结构件“变形开裂”预防、“凝固组织和内部缺陷”控制等问题。具体的技术突破包括以下几个方面：
王华明及其团队提出了原创性的“热应力离散控制”方法,为解决大型钛合金主承力结构件激光快速成形过程零件严重翘曲变形与开裂难题找到了一条新路；其次，发明了激光快速成形双相钛合金“特种热处理”新工艺, 获得了综合力学性能优异的显微组织新形态，使激光快速成形钛合金的综合力学性能得到显著提高,为提高飞机等钛合金主承力构件的使用安全性和损伤容限性能找到了一个新的解决方法；再次，突破了激光快速成形TA15钛合金大型结构件内部缺陷和内部质量控制及其无损检验关键技术，飞机构件综合力学性能达到或超过钛合金模锻件水平。
“产”为“研”之用。实现成功应用是进行技术突破的目的。本着以这一目标信念，王华明教授及其科研团队在航空制造领域取得了突出的成绩。这些成绩在一个个数字当中得到最生动的体现：2005年7月成功实现激光快速成形TA15钛合金飞机角盒、TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4种飞机钛合金次承力结构件在 3 种飞机上的装机应用，零件材料利用率提高了5倍、周期缩短了2/3、成本降低了1/2以上；制造出了迄今世界尺寸最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套设备，其零件激光融化沉积真空腔尺寸达4000mm×3000mm×2000mm；2009年，王明华团队利用激光快速成形技术制造出我国自主研发的大型客机C919的主风挡窗框，在此之前只有欧洲一家公司能够做，仅每件模具费就高达50万美元，而利用激光快速成形技术制作的零件成本不及模具的1/10；2010年，利用激光直接制造C919达中央翼根肋，传统锻件毛坯重达1607千克，而利用激光成形技术制造的精坯重量仅为136千克，节省了91.5％的材料，并且经过性能测试，其性能比传统锻件还要好。
这一系列成功的应用，实现了王华明教授让“近净成形”结构件飞上蓝天的梦想。
谈及大型钛合金结构件激光直接制造技术的发展前景，王华明既不失客观，又充满信心。他认为，目前制约大型钛合金结构件激光直接制造技术进一步发展的主要问题，仍然是激光成形过程“内应力控制及零件变形开裂预防”、“内部质量保障及力学性能控制”、“技术标准体系”等瓶颈难题，这些难题的存在一方面是由于该技术发展时间还不长，各方面研究工作仍处于探索阶段；另一方面，则是对于该技术关键性基础问题的研究和把握不够，包括，大型金属构件激光快速成形过程内应力演化行为规律、内部组织形成规律和内部缺陷形成机理等。
