鈦合金是以鈦為基礎加入其他元素組成的合金。1954年美國研製成功的Ti-6Al-4V合金，是第一個實用的鈦合金，由於它的耐熱性、強度、塑性、韌性、成形性、可焊性、耐蝕性和生物相容性均較好，而成為鈦合金工業中的王牌合金。

不過由於鈦合金在焊接等加工工藝上存在極大的難度，其一般只用於作戰飛機等國防高技術武器中，以美國的第五代戰機F22來說，使用了41%的鈦合金，複合材料24%，鋁合金只有15%。

而中國的戰機鈦合金比例也一直在不斷提高，殲8用鈦合金很少是2%，殲10用鈦合金4%，而到了殲11鈦合金用到15%，可以說從第四代戰機開始，基本上是一架鈦合金+複合材料的飛機。

大型整體鈦合金結構件用量的高低已成為衡量國防裝備技術先進性的重要標誌之一。傳統的鈦合金零件製造主要依靠鑄造和鍛造，其中鑄造零件易於大尺寸製造，但重量較大且無法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰機主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件製造浪費嚴重，原料95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格限制。

傳統飛機鈦合金大型關鍵構件的製造方法是鍛造和機械加工。先要熔鑄大型鈦合金鑄錠、鍛造製坯、加工大型鍛造模具，然後再用萬噸級水壓機等大型鍛造裝置鍛造出零件毛坯，最後再對毛坯零件進行大量機械加工。整個工序下來，耗時費力，總花費要高達幾十個億，光大型模具的加工就要用一年以上的時間，要動用幾萬噸級的水壓機來工作，要大量供電，甚至需要建電廠。

所以美國為了可以更好更快地製造鈦合金結構件，提出了鐳射成型技術，“一束鐳射，有規則地在金屬材料上游走，製造出飛機上任意一種複雜形狀的大型零件，宛如‘變形金剛’”——鐳射成形即為廣義上“3D列印”技術的一種，術語稱之為增量製造。

鐳射成形技術：先對零件的CAD模型進行切片處理，將零件的網格模型按一定厚度分層離散成一系列類似計算機灰度影象的2D輪廓資料；然後基於輪廓資料生成可控制鐳射運動的數控驅動程式，從而驅動鐳射自底向上逐層熔覆沉積金屬粉末；終獲得組織緻密、高效能的“近淨形“零件。

完整的鐳射快速成形制造流程如圖所示。

該項技術打破傳統去除材料或變形的製造模式，採用“離散+堆積”的增材製造思想，由CAD模型一步完成構件的製造，具有無需模具、幾何形狀複雜度無限制、加工週期短、製造成本低、柔性高、綜合性能優異等顯著優勢。

但美國在上世紀90年代，試驗了一個F/A-18C戰鬥機鐳射3D列印零件之後，就在這項技術上始終沒法獲得比較大的技術突破，據資料顯示，這架F/A-18C戰鬥機的零件出現了明顯的裂縫，顯示其結構強度遠遠達不到飛行要求，

2005年，美國從事鈦合金鐳射成型製造業務的商業公司Aeromet由於始終無法生產出效能滿足主承力要求的大尺寸複雜鈦合金構件，沒能實現有價值的市場應用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，只能進行小尺寸鈦合金部件的列印或進行鈦合金零件表面修復。

可以說，直到現在，美國依然沒有成功掌握大型複雜整體構件鐳射成形技術。

中國的鈦合金鐳射成形技術起步較晚，直到1995年美國解密其研發計劃3年後才開始投入研究。早期基本屬於跟隨美國的學習階段，不過卻後來居上。

來自北京航空航天大學的王華明教授率先掌握了飛機鈦合金大型複雜整體構件鐳射成形技術。王華明教授1989在在中科院金屬研究所讀博士後，採用鐳射熔凝手段修復發動機葉片，發現修復後的葉片效能比原來好。因為鐳射熔凝處理會使材料瞬間達到高溫，再快速冷卻，金屬內部的晶粒就會非常細小，化學成分更均勻，效能自然更好。當時王華明教授就心想，如果運用鐳射熔凝技術製造葉片，跟傳統方法相比就會有質的提升。

這一想法始終縈繞在他腦海，經過20多年的努力，王華明教授探索了一種做“加法”的高效能金屬零件製造方式——通過計算機控制，用鐳射將合金粉末熔化，並跟隨鐳射有規則地在金屬材料上游走，逐層堆積直接“生長”，直接根據零件CAD模型一步完成大型複雜高效能金屬零部件的“近終成形”製造。

王華明的這項研究成果使得中國成為迄今世界上唯一掌握高效能大型金屬零件鐳射直接製造技術並實現工程應用的國家。

這項技術可以製造出飛機上任意一種複雜形狀的大型零件，鐳射鈦合金成形技術由於採用疊加技術，它節約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要製造專用的模具，原本相當於材料成本1~2倍的加工費用現在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金複雜結構件，粗略估計，傳統工藝的成本大約是2500萬元；而鐳射3D焊接快速成型技術的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統工藝5%。更重要的是，許多複雜結構的鈦合金構建可通過3D列印一體成型，節省工時，還大大提高材料強度。

F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D列印技術製造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%，變得更加靈活。

王華明教授曾在一次講座上說過，在中國沒有這項技術之前，中國在研的一款飛機所需雙曲面窗框只有歐洲一家公司能做，週期2年，先付200萬美元模具費，而且零件非常貴。但是，中國有了這項技術之後，55天就做好了，裝上了飛機，比歐美造的好。

王華明教授表示，同美國製造F-22使用的技術比較就能更加顯示這項技術的厲害，F-22的超大型複雜鈦合金構件，美國沒有技術一次性成形，就分拆成三個鑄件，然後焊接在一起。而中國現在可以使用新技術一次性成形。經過焊接在一起的大型構件的耐疲勞度就要差很多。

他更自豪地表示，飛機鈦合金大型複雜整體構件鐳射成形技術，中國至少領先了美國5年。

目前，鐳射3D成形技術具備了使用鐳射成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，已經用鐳射直接製造30多種鈦合金燈大型複雜關鍵金屬零件。

中國殲-15、殲-31和殲-20戰鬥機都使用了鐳射3D列印技術。

除此之外，這項技術也已經成功投入了多個中國產航空科研專案的原型機和批產型號的製造中，比如C-919客機的大型機頭整體件和機鼻前段。還運用在許多高精尖武器裝置之上，如在東風XX等3種導彈，遙感24等2種衛星，渦扇13等3種航空發動機和1型燃氣輪機等重點型號中獲得工程應用併發揮關鍵作用。

而FC-31戰機至少有4個鐳射成型“眼鏡式”鈦合金主承力構件加強框，FC-31由於不需採用角盒、角片、螺栓、鉚釘、銷子等連線件和緊韌體，裝配工藝和工裝也大幅度簡化，前機身製造裝配週期可縮短30%以上。飛機前機身整體結構通過增材製造工藝加工成形可謂是飛機生產製造技術的一個重大突破。鐳射增材製造成形技術生產飛機後機身“眼鏡框式”鈦合金整體加強框是鶻鷹飛機結構設計的得意之作。

總結來說，這項技術具有以下優勢：

（1）無需大型鍛造工業裝備、大型鍛造模具及製坯模具製造、

（2）高效能金屬材料製備與大型複雜零件“近終成形”一體化、

（3）構件綜合力學效能優異、材料利用率高、加餘量小、

（4）製造週期短、成本低等獨特優點，是一種“變革性”的短週期、低成本、數字化、精密成形技術，為飛機、發動機鈦合金、超高強度鋼、高溫合金等高效能、難加工大型複雜整體關鍵構件的製造提供了新途徑。

最後，王華明教授“飛機鈦合金大型複雜整體構件鐳射成形技術”專案還榮獲了國家技術發明一等獎。但王華明教授並沒有止步於此，他的目標是3D列印技術生產出一架飛機大部段的願望即將實現。