2013年5月24日，在第十六屆中國北京國際科技產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上，中航重機(jī)控股子公司中航激光所屬研發(fā)團(tuán)隊(duì)展示了獲得2012年度“國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)”的飛機(jī)鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)?！?/p>
據(jù)參與該項(xiàng)研究的北京航空航天大學(xué)材料加工工程的人員稱，北京航空航天大學(xué)已與中航工業(yè)集團(tuán)成立中航激光公司，以對(duì)該項(xiàng)技術(shù)成果實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。在這次展會(huì)上，還首次公開展示了某型戰(zhàn)機(jī)的大型鈦合金零件。飛機(jī)鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)是“3D打印技術(shù)”的高端發(fā)展形勢(shì)，是一項(xiàng)“變革性”的短周期、低成本、數(shù)字化先進(jìn)制造技術(shù)。該項(xiàng)目在國際上首次突破了飛機(jī)鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光成型工藝、力學(xué)性能控制、工程化成套設(shè)備、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。已經(jīng)用激光直接制造30多種鈦合金燈大型復(fù)雜關(guān)鍵金屬零件在大型運(yùn)輸機(jī)、艦載機(jī)、C919大型客機(jī)、殲擊機(jī)等7型飛機(jī)中裝機(jī)應(yīng)用，解決型號(hào)研制“瓶頸”，使中國成為迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光直接制造技術(shù)并實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的國家。
2013年1月18日，國務(wù)院向“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”頒發(fā)國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。目前，這一技術(shù)在我國已經(jīng)投入工業(yè)化制造，使我國成為繼美國之后、世界上第二個(gè)掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形及技術(shù)的國家。（圖為國內(nèi)公開刊物《航空制造技術(shù)》雜志所刊登的某型飛機(jī)后機(jī)身部件結(jié)構(gòu)示意圖，一些觀察人士稱，這顯示殲-31戰(zhàn)機(jī)至少有4個(gè)激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。）
更加令人欣喜的是，在性能上，根據(jù)公開的材料表明，我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)優(yōu)于美國的激光成形鈦合金構(gòu)件。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造且付諸實(shí)用的國家。
一些觀察人士稱，這顯示殲-31戰(zhàn)機(jī)至少有4個(gè)激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。
目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)國產(chǎn)航空科研項(xiàng)目的原型和產(chǎn)品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造并且裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。
節(jié)約90%的材料和成本
在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國航空研制的一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。由于鈦合金重量輕，強(qiáng)度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過20%。
傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無法加工成精細(xì)的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰(zhàn)機(jī)的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費(fèi)嚴(yán)重，原料的95%都會(huì)被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴(yán)格的限制：3萬噸大型水壓機(jī)只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機(jī)，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無法制造復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會(huì)遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。
激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當(dāng)于材料成本1~2倍的加工費(fèi)用現(xiàn)在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計(jì)，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。
更重要的是，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時(shí)，還大大提高了材料強(qiáng)度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術(shù)制造，在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，重量最多可以減少40%。
圖為中國鈦合金3D打印機(jī)制造的大型承力零件，在航空領(lǐng)域，中國激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，激光鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛運(yùn)用。通過這一技術(shù)，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機(jī)殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機(jī)的推重比；依托激光鈦合金成形造價(jià)低、速度快的特點(diǎn)，沈飛在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰(zhàn)斗機(jī)并且進(jìn)行試飛。
民用航空制造業(yè)也開始應(yīng)用這一技術(shù)。目前，在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室下設(shè)的激光制造工程中心，通過激光立體成型技術(shù)為將于2014年投產(chǎn)，并在2016年投入運(yùn)營的國產(chǎn)客機(jī)C919制造了鈦合金翼梁，長度超過5米。
西北工業(yè)大學(xué)制造的鈦合金承力梁，長度達(dá)到5米。
除了制造外，這些部件在出現(xiàn)問題后，也將可以使用同樣的技術(shù)進(jìn)行修復(fù)，而無需重新制造，這將可以節(jié)省大量用于更換受損部件的費(fèi)用。#p#分頁標(biāo)題#e#
憑借激光鈦合金成形技術(shù)，中國在航空材料科學(xué)領(lǐng)域第一次走在了世界先進(jìn)水平的前列，并為中國航空工業(yè)的發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
殲-15、殲-16、殲-20、殲-31……近年來，中國軍事科技突飛猛進(jìn)，以先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)為代表的各種尖端武器密集亮相，讓世界看花了眼。近日，在全國兩會(huì)上，全國政協(xié)委員、殲-15總設(shè)計(jì)師孫聰透露了中國軍工迅速發(fā)展的秘密——領(lǐng)先世界的3D打印技術(shù)。這項(xiàng)被英國《經(jīng)濟(jì)學(xué)人》認(rèn)為“將推動(dòng)實(shí)現(xiàn)第三次工業(yè)革命”的技術(shù)，早已引發(fā)美國、歐洲諸國的激烈鏖戰(zhàn)，“戰(zhàn)火”從太空一直蔓延到器官移植，從F-35、F-22等先進(jìn)武器“燒”到每個(gè)人的日常用品，現(xiàn)在中國竟后來居上，確實(shí)讓美歐大吃一驚，一些分析人士稱，中國可能已經(jīng)在殲-20和殲-31兩種隱身戰(zhàn)斗機(jī)上采用了超大尺寸激光增材鈦合金構(gòu)件，其體積可能已經(jīng)超過了美國激光增材技術(shù)的最高水平。目前，中國已具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造、應(yīng)用的國家。
全國兩會(huì)上匯集著中國最耀眼的各路“明星”，這當(dāng)然包括全國政協(xié)委員、中航工業(yè)副總工程師、中國航母艦載機(jī)殲-15總設(shè)計(jì)師孫聰。2012年11月，殲-15艦載機(jī)在中國首艘航母“遼寧艦”成功起降，讓這位科技明星成了記者追逐的對(duì)象。“對(duì)不起，對(duì)不起，這些真不能說”，面對(duì)記者提出的幾個(gè)有關(guān)艦載機(jī)的問題，擔(dān)心一開口就說出秘密的孫聰始終微笑著守口如瓶，但還是在不死心的記者“逼問”下，透露了不少“秘密”。
“我想說的是，2012年是我國中航工業(yè)和我國航空工業(yè)井噴之年。讓世界震驚的不光是技術(shù)，更因?yàn)楹娇展I(yè)發(fā)展體現(xiàn)了中國速度”，面對(duì)《科技日?qǐng)?bào)》的專訪，孫聰說。作為我國自行設(shè)計(jì)研制的首型艦載多用途戰(zhàn)斗機(jī)，殲-15可以說“高起點(diǎn)，高起步，從一無所有一下子跨越到第三代戰(zhàn)斗機(jī)的艦載機(jī)，殲-15達(dá)到美國最先進(jìn)的第三代艦載機(jī)‘大黃蜂’的技術(shù)水準(zhǔn)。”（圖為殲-15戰(zhàn)斗機(jī)，據(jù)稱它可能已經(jīng)使用了3D打印技術(shù)）
從沒有技術(shù)儲(chǔ)備、技術(shù)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)、人才隊(duì)伍的一張白紙做起，殲-15如何實(shí)現(xiàn)這一飛躍？孫聰透露，殲-15項(xiàng)目率先采用了數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)理念：三維數(shù)字化設(shè)計(jì)改變了設(shè)計(jì)流程，提高了試制效率；五級(jí)成熟度管理模式，沖破設(shè)計(jì)和制造的組織壁壘，而這與3D打印技術(shù)關(guān)系緊密。他透露，鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)已應(yīng)用于新機(jī)試制過程，主要是主承力部分。
在傳統(tǒng)的戰(zhàn)斗機(jī)制造流程當(dāng)中，飛機(jī)的3D模型設(shè)計(jì)好后，需要進(jìn)行長期的投入來制造水壓成型設(shè)備，而使用3D打印這種增材制造技術(shù)后，零件的成型速度、應(yīng)用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技術(shù)，殲-15戰(zhàn)斗機(jī)至今能否首飛都很難講。
“鈦合金3D打印技術(shù)已用于新機(jī)研制”，這一條消息立刻成為媒體矚目的焦點(diǎn)?！毒┤A時(shí)報(bào)》引述孫聰?shù)脑捳f，鈦合金和M100鋼的3D打印技術(shù)已廣泛用于新機(jī)設(shè)計(jì)試制過程。報(bào)道稱，于2012年10月至11月首飛成功的機(jī)型，廣泛使用了3D打印技術(shù)制造鈦合金主承力部分，包括整個(gè)前起落架。“2002年，3D打印技術(shù)剛萌芽時(shí)，我們就進(jìn)行相關(guān)技術(shù)研發(fā)，通過與北航的合作，目前已具備一定產(chǎn)業(yè)能力。”
（圖為F-15戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金整體框的水壓機(jī)成形模具）
傳統(tǒng)數(shù)控制造主要是“去除型”，即在原材料基礎(chǔ)上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多余部分，得到零部件，再以拼裝、焊接等方法組合成最終產(chǎn)品，而3D打印則顛覆了這一觀念，無需原胚和模具，就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)，通過一層層增加材料的方法直接造出任何形狀的物體，這不僅縮短產(chǎn)品研制周期、簡化產(chǎn)品的制造程序，提高效率，而且大打降低了成本，因此被稱為“增材制造”。
用3D打印技術(shù)制造戰(zhàn)機(jī)，中國并不是第一家。1984年，美國開發(fā)出從數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)打印出3D物體的技術(shù)，并在2年后開發(fā)出第一臺(tái)商業(yè)3D打印機(jī)。之所以叫“打印機(jī)”，是因?yàn)樗梃b了打印機(jī)的噴墨技術(shù)，只不過，普通的打印機(jī)是在紙上噴一層墨粉，形成二維(2D)文字或圖形，而3D打印則能“打”出三維的立體實(shí)物來。
以一個(gè)手電筒為例，3D打印機(jī)能通過電腦將手電筒進(jìn)行立體掃描，創(chuàng)建三維設(shè)計(jì)圖，之后對(duì)這個(gè)立體原型進(jìn)行“切片”，分成一層一層的，之后，打印機(jī)就將原材料按照設(shè)計(jì)圖一層一層地“噴”上去，直到最終造出一個(gè)手電筒來，只不過3D打印機(jī)噴出的不是墨粉，而是融化的樹脂、金屬或者陶瓷等材料。
（小圖為美國F-22戰(zhàn)機(jī)的鈦合金整體式承力框，它曾經(jīng)是世界上最大的一體式鈦合金構(gòu)件）
美國空軍一下子就被這種新技術(shù)吸引，他們認(rèn)為，如果將這種技術(shù)用在武器制造上，產(chǎn)生的威力將是驚人的。在航空工業(yè)上廣泛被使用的一種金屬是鈦，它的密度只有鋼鐵的一半，強(qiáng)度卻遠(yuǎn)勝于絕大多數(shù)合金，如果通過激光將鈦熔化并一層層噴出飛機(jī)來，無疑將大大提高美國戰(zhàn)機(jī)的制造速度。為此，1985年，在五角大樓主導(dǎo)下，美國秘密開始了鈦合金激光成形技術(shù)研究，1992年這項(xiàng)技術(shù)才公之于眾。
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（圖為美國Aeromet公司生產(chǎn)的F/A-18E戰(zhàn)斗機(jī)的激光增材超大尺寸整體框，因強(qiáng)度問題在試驗(yàn)中測試失?。?/p>
不過，由于在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無法解決，美國始終無法生產(chǎn)高強(qiáng)度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業(yè)務(wù)的商業(yè)公司Aeromet由于始終無法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，沒能實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的市場應(yīng)用而倒閉。美國的其他國家實(shí)驗(yàn)室也無法攻克這一難題，只能進(jìn)行小尺寸鈦合金部件的打印或進(jìn)行鈦合金零件表面修復(fù)。
我國于1999年開始金屬零件的激光快速成形技術(shù)研究，在國家“863”、“973”計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的大力支持下，集中開展了鎳基高溫合金及多種鈦合金的成形研究，形成了多套具有工業(yè)化示范水平的激光快速成形系統(tǒng)和裝備；掌握了金屬零件激光快速成形的關(guān)鍵工藝及組織性能控制方法，所成形的TC4、TA15、TA12等鈦合金及Inconel 718合金的力學(xué)性能均達(dá)到或超過鍛件的水平，為該技術(shù)在上述材料零件的直接制造方面奠定了基礎(chǔ)；近年來，我國在飛機(jī)鈦合金大型整體結(jié)構(gòu)件的激光快速成形方面取得了重要突破，有效解決了激光快速成形鈦合金大型整體結(jié)構(gòu)件的變形開裂及內(nèi)部質(zhì)量控制兩大技術(shù)難題，通過對(duì)鈦合金零件凝固組織的有效控制，所成形的飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件的綜合力學(xué)性能達(dá)到或超過鈦合金模鍛件，已通過裝機(jī)評(píng)審并得到應(yīng)用。
（圖為F-35的鈦合金整體框，目前美國仍然只能使用水壓機(jī)來進(jìn)行這種構(gòu)件的生產(chǎn)）
中國的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年美國解密其研發(fā)計(jì)劃3年后才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學(xué)習(xí)階段，不過卻后來居上，其中，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)取得的成就最為顯著。“觀察者網(wǎng)”文章表示，早在2000年前后，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)就已開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，解決了多項(xiàng)世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸達(dá)到4米量級(jí)、性能滿足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品。
目前，中國已具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構(gòu)件制造、應(yīng)用的國家。在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)部件迅速成為中國航空力量的一項(xiàng)獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，目前，中國先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的鈦合金構(gòu)件所占比例已超過20%。
我國殲-20戰(zhàn)斗機(jī)
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