中国展示世界最大军用战机3D打印钛合金零件

[img]2013年5月24日，在第十六届中国北京国际科技产业博览会上，中航重机控股子公司中航激光所属研发团队，展示了获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术。　
据参与该项研究的北京航空航天大学材料加工工程的人员称，北京航空航天大学已与中航工业集团成立中航激光公司，以对该项技术成果实现产业化。在这次展会上，还首次公开展示了某型战机的大型钛合金零件。飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技术”的高端发展形势，是一项“变革性”的短周期、低成本、数字化先进制造技术。该项目在国际上首次突破了飞机钛合金大型整体主承力结构件激光成型工艺、力学性能控制、工程化成套设备、技术标准。已经用激光直接制造30多种钛合金灯大型复杂关键金属零件在大型运输机、舰载机、C919大型客机、歼击机等7型飞机中装机应用，解决型号研制“瓶颈”，使中国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并实现工程应用的国家。
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。（图为国内公开刊物《航空制造技术》杂志所刊登的某型飞机后机身部件结构示意图，一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。）　　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。
一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。　　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%。
在航空领域，中国激光钛合金成形技术已经得到了广泛的应用。　　在中航成飞和沈飞的下一代战斗机的设计研发中，激光钛合金成形技术已经得到了广泛运用。通过这一技术，正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比；依托激光钛合金成形造价低、速度快的特点，沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并且进行试飞。　　民用航空制造业也开始应用这一技术。目前，在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，通过激光立体成型技术为将于2014年投产，并在2016年投入运营的国产客机C919制造了钛合金翼梁，长度超过5米。
除了制造外，这些部件在出现问题后，也将可以使用同样的技术进行修复，而无需重新制造，这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。　　凭借激光钛合金成形技术，中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列，并为中国航空工业的发展打下了坚实的基础。
歼-15、歼-16、歼-20、歼-31……近年来，中国军事科技突飞猛进，以先进战机为代表的各种尖端武器密集亮相，让世界看花了眼。近日，在全国两会上，全国政协委员、歼-15总设计师孙聪透露了中国军工迅速发展的秘密——领先世界的3D打印技术。这项被英国《经济学人》认为“将推动实现第三次工业革命”的技术，早已引发美国、欧洲诸国的激烈鏖战，“战火”从太空一直蔓延到器官移植，从F-35、F-22等先进武器“烧”到每个人的日常用品，现在中国竟后来居上，确实让美欧大吃一惊，一些分析人士称，中国可能已经在歼-20和歼-31两种隐身战斗机上采用了超大尺寸激光增材钛合金构件，其体积可能已经超过了美国激光增材技术的最高水平。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。　　全国两会上汇集着中国最耀眼的各路“明星”，这当然包括全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪。2012年11月，歼-15舰载机在中国首艘航母“辽宁舰”成功起降，让这位科技明星成了记者追逐的对象。“对不起，对不起，这些真不能说”，面对记者提出的几个有关舰载机的问题，担心一开口就说出秘密的孙聪始终微笑着守口如瓶，但还是在不死心的记者“逼问”下，透露了不少“秘密”。
“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。”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。
1128　　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。”
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”。
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。
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。
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.
中国于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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[img]2013年5月24日，在第十六届中国北京国际科技产业博览会上，中航重机控股子公司中航激光所属研发团队，展示了获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术。　
据参与该项研究的北京航空航天大学材料加工工程的人员称，北京航空航天大学已与中航工业集团成立中航激光公司，以对该项技术成果实现产业化。在这次展会上，还首次公开展示了某型战机的大型钛合金零件。飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技术”的高端发展形势，是一项“变革性”的短周期、低成本、数字化先进制造技术。该项目在国际上首次突破了飞机钛合金大型整体主承力结构件激光成型工艺、力学性能控制、工程化成套设备、技术标准。已经用激光直接制造30多种钛合金灯大型复杂关键金属零件在大型运输机、舰载机、C919大型客机、歼击机等7型飞机中装机应用，解决型号研制“瓶颈”，使中国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并实现工程应用的国家。
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。（图为国内公开刊物《航空制造技术》杂志所刊登的某型飞机后机身部件结构示意图，一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。）　　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。
一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。　　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%。
在航空领域，中国激光钛合金成形技术已经得到了广泛的应用。　　在中航成飞和沈飞的下一代战斗机的设计研发中，激光钛合金成形技术已经得到了广泛运用。通过这一技术，正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼-31采用钛合金的主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比；依托激光钛合金成形造价低、速度快的特点，沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多型战斗机并且进行试飞。　　民用航空制造业也开始应用这一技术。目前，在西北工业大学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，通过激光立体成型技术为将于2014年投产，并在2016年投入运营的国产客机C919制造了钛合金翼梁，长度超过5米。
除了制造外，这些部件在出现问题后，也将可以使用同样的技术进行修复，而无需重新制造，这将可以节省大量用于更换受损部件的费用。　　凭借激光钛合金成形技术，中国在航空材料科学领域第一次走在了世界先进水平的前列，并为中国航空工业的发展打下了坚实的基础。
歼-15、歼-16、歼-20、歼-31……近年来，中国军事科技突飞猛进，以先进战机为代表的各种尖端武器密集亮相，让世界看花了眼。近日，在全国两会上，全国政协委员、歼-15总设计师孙聪透露了中国军工迅速发展的秘密——领先世界的3D打印技术。这项被英国《经济学人》认为“将推动实现第三次工业革命”的技术，早已引发美国、欧洲诸国的激烈鏖战，“战火”从太空一直蔓延到器官移植，从F-35、F-22等先进武器“烧”到每个人的日常用品，现在中国竟后来居上，确实让美欧大吃一惊，一些分析人士称，中国可能已经在歼-20和歼-31两种隐身战斗机上采用了超大尺寸激光增材钛合金构件，其体积可能已经超过了美国激光增材技术的最高水平。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。　　全国两会上汇集着中国最耀眼的各路“明星”，这当然包括全国政协委员、中航工业副总工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪。2012年11月，歼-15舰载机在中国首艘航母“辽宁舰”成功起降，让这位科技明星成了记者追逐的对象。“对不起，对不起，这些真不能说”，面对记者提出的几个有关舰载机的问题，担心一开口就说出秘密的孙聪始终微笑着守口如瓶，但还是在不死心的记者“逼问”下，透露了不少“秘密”。
“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。”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。
1128　　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。”
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”。
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。
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。
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.
中国于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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