momoki 2013-5-28 22:20
中國3D打印戰機用鈦合金整體部件亮相
殲-15、殲-16、殲-20、殲-31……近年來，中國軍事科技突飛猛進，以先進戰機為代表的各種尖端武器密集亮相，讓世界看花了眼。近日，在全國兩會上，全國政協委員、殲-15總設計師孫聰透露了中國軍工迅速發展的秘密——領先世界的3D打印技術。這項被英國《經濟學人》認為“將推動實現第三次工業革命”的技術，早已引發美國、歐洲諸國的激烈鏖戰，“戰火”從太空一直蔓延到器官移植，從F-35、F-22等先進武器“燒”到每個人的日常用品，現在中國竟後來居上，確實讓美歐大吃一驚，一些分析人士稱，中國可能已經在殲-20和殲-31兩種隱身戰鬥機上采用了超大尺寸激光增材鈦合金構件，其體積可能已經超過了美國激光增材技術的最高水平。目前，中國已具備了使用激光成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造、應用的國家。
全國兩會上匯集著中國最耀眼的各路“明星”，這當然包括全國政協委員、中航工業副總工程師、中國航母艦載機殲-15總設計師孫聰。2012年11月，殲-15艦載機在中國首艘航母“遼甯艦”成功起降，讓這位科技明星成了記者追逐的對象。“對不起，對不起，這些真不能說”，面對記者提出的幾個有關艦載機的問題，擔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”。
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2013年5月24日，在第十六屆中國北京國際科技產業博覽會上，中航重機控股子公司中航激光所屬研發團隊，展示了獲得2012年度“國家技術發明獎一等獎”的飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術。
據參與該項研究的北京航空航天大學材料加工工程的人員稱，北京航空航天大學已與中航工業集團成立中航激光公司，以對該項技術成果實現產業化。在這次展會上，還首次公開展示了某型戰機的大型鈦合金零件。飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術是“3D打印技術”的高端發展形勢，是一項“變革性”的短周期、低成本、數字化先進制造技術。該項目在國際上首次突破了飛機鈦合金大型整體主承力結構件激光成型工藝、力學性能控制、工程化成套設備、技術標准。已經用激光直接制造30多種鈦合金燈大型複雜關鍵金屬零件在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲擊機等7型飛機中裝機應用，解決型號研制“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並實現工程應用的國家。
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“我想说的是，2012年是我国中航工业和我国航空工业井喷之年。让世界震惊的不光是技术，更因为航空工业发展体现了中国速度”，面对《科技日报》的专访，孙聪说。作为我国自行设计研制的首型舰载多用途战斗机，歼-15可以说“高起点，高起步，从一无所有一下子跨越到第三代战斗机的舰载机，歼-15达到美国最先进的第三代舰载机‘大黄蜂’的技术水准。”（图为歼-15战斗机，据称它可能已经使用了3D打印技术）
从没有技术储备、技术规范、经验、人才队伍的一张白纸做起，歼-15如何实现这一飞跃？孙聪透露，歼-15项目率先采用了数字化协同设计理念：三维数字化设计改变了设计流程，提高了试制效率；五级成熟度管理模式，冲破设计和制造的组织壁垒，而这与3D打印技术关系紧密。他透露，钛合金和M100钢的3D打印技术已应用于新机试制过程，主要是主承力部分。
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在传统的战斗机制造流程当中，飞机的3D模型设计好后，需要进行长期的投入来制造水压成型设备，而使用3D打印这种增材制造技术后，零件的成型速度、应用速度得以大幅度提高。如果不是采用3D打印的增材制造技术，歼-15战斗机至今能否首飞都很难讲。
“钛合金3D打印技术已用于新机研制”，这一条消息立刻成为媒体瞩目的焦点。《京华时报》引述孙聪的话说，钛合金和M100钢的3D打印技术已广泛用于新机设计试制过程。报道称，于2012年10月至11月首飞成功的机型，广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分，包括整个前起落架。“2002年，3D打印技术刚萌芽时，我们就进行相关技术研发，通过与北航的合作，目前已具备一定产业能力。”
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同时担任“鹘鹰”飞机(歼-31)总设计师的孙聪透露另一个好消息，希望“鹘鹰”飞机未来和歼-20进行高低任务搭配，保持持续打击能力，同时也希望“鹘鹰”的改进版能成为中国下一代舰载机。相信在3D打印技术的支持下，这一天也会很快到来。
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传统数控制造主要是“去除型”，即在原材料基础上，使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分，得到零部件，再以拼装、焊接等方法组合成最终产品，而3D打印则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据，通过一层层增加材料的方法直接造出任何形状的物体，这不仅缩短产品研制周期、简化产品的制造程序，提高效率，而且大打降低了成本，因此被称为“增材制造”。（图为F-15战斗机钛合金整体框的水压机成形模具）
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用3D打印技术制造战机，中国并不是第一家。1984年，美国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打印机。之所以叫“打印机”，是因为它借鉴了打印机的喷墨技术，只不过，普通的打印机是在纸上喷一层墨粉，形成二维(2D)文字或图形，而3D打印则能“打”出三维的立体实物来。
以一个手电筒为例，3D打印机能通过电脑将手电筒进行立体扫描，创建三维设计图，之后对这个立体原型进行“切片”，分成一层一层的，之后，打印机就将原材料按照设计图一层一层地“喷”上去，直到最终造出一个手电筒来，只不过3D打印机喷出的不是墨粉，而是融化的树脂、金属或者陶瓷等材料。
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美国空军一下子就被这种新技术吸引，他们认为，如果将这种技术用在武器制造上，产生的威力将是惊人的。在航空工业上广泛被使用的一种金属是钛，它的密度只有钢铁的一半，强度却远胜于绝大多数合金，如果通过激光将钛熔化并一层层喷出飞机来，无疑将大大提高美国战机的制造速度。为此，1985年，在五角大楼主导下，美国秘密开始了钛合金激光成形技术研究，1992年这项技术才公之于众。（小图为美国F-22战机的钛合金整体式承力框，它曾经是世界上最大的一体式钛合金构件）
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不过，由于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，没能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，只能进行小尺寸钛合金部件的打印或进行钛合金零件表面修复。（图为美国Aeromet公司生产的F/A-18E战斗机的激光增材超大尺寸整体框，因强度问题在试验中测试失败）
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我国于1999年开始金属零件的激光快速成形技术研究，在国家“863”、“973”计划、国家自然科学基金重点项目等的大力支持下，集中开展了镍基高温合金及多种钛合金的成形研究，形成了多套具有工业化示范水平的激光快速成形系统和装备；掌握了金属零件激光快速成形的关键工艺及组织性能控制方法，所成形的TC4、TA15、TA12等钛合金及Inconel 718合金的力学性能均达到或超过锻件的水平，为该技术在上述材料零件的直接制造方面奠定了基础；近年来，我国在飞机钛合金大型整体结构件的激光快速成形方面取得了重要突破，有效解决了激光快速成形钛合金大型整体结构件的变形开裂及内部质量控制两大技术难题，通过对钛合金零件凝固组织的有效控制，所成形的飞机钛合金结构件的综合力学性能达到或超过钛合金模锻件，已通过装机评审并得到应用。
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中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年后才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习阶段，不过却后来居上，其中，中航激光技术团队取得的成就最为显著。“观察者网”文章表示，早在2000年前后，中航激光技术团队就已开始投入“3D激光焊接快速成型技术”研发，解决了多项世界技术难题、生产出结构复杂、尺寸达到4米量级、性能满足主承力结构要求的产品。（图为F-35的钛合金整体框，目前美国仍然只能使用水压机来进行这种构件的生产）
目前，中国已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，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、应用的国家。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力量的一项独特优势，目前，中国先进战机上的钛合金构件所占比例已超过20%。
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