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中國尖端戰機使用3D打印技術

據環球網報道,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,現在中國竟后來居上,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 -31兩種隱身戰斗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平方米的復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「遼寧艦」成功起降,讓這位科技明星成了記者追逐的對象?!笇Σ黄?,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」。

「我想說的是,2012年是我國中航工業和我國航空工業井噴之年。讓世界震驚的不光是技術,更因為航空工業發展體現了中國速度」,面對《科技日報》的專訪,孫聰說。作為我國自行設計研制的首型艦載多用途戰斗機,殲-15可以說「高起點,高起步,從一無所有一下子跨越到第三代戰斗機的艦載機,殲-15 達到美國最先進的第三代艦載機『大黃蜂』的技術水平?!?  

從沒有技術儲備、技術規范、經驗、人才隊伍的一張白紙做起,殲-15如何實現這一飛躍?孫聰透露,殲-15項目率先采用了數字化協同設計理念:三維數字化設計改變了設計流程,提高了試制效率;五級成熟度管理模式,沖破設計和制造的組織壁壘,而這與3D打印技術關系緊密。他透露,鈦合金和M100鋼的 3D打印技術已應用于新機試制過程,主要是主承力部分。

在傳統的戰斗機制造流程當中,飛機的3D模型設計好后,需要進行長期的投入來制造水壓成型設備,而使用3D打印這種增材制造技術后,零件的成型速度、應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,殲-15戰斗機至今能否首飛都很難講。

「鈦合金3D打印技術已用于新機研制」,這一條消息立刻成為媒體矚目的焦點?!毒┤A時報》引述孫聰的話說,鈦合金和M100鋼的3D打印技術已廣泛用于新機設計試制過程。報道稱,于2012年10月至11月首飛成功的機型,廣泛使用了3D打印技術制造鈦合金主承力部分,包括整個前起落架?!?002 年,3D打印技術剛萌芽時,我們就進行相關技術研發,通過與北航的合作,目前已具備一定產業能力?!?/span>

同時擔任「鶻鷹」飛機(殲-31)總設計師的孫聰透露另一個好消息,希望「鶻鷹」飛機未來和殲-20進行高低任務搭配,保持持續打擊能力,同時也希望「鶻鷹」的改進版能成為中國下一代艦載機。相信在3D打印技術的支持下,這一天也會很快到來。

傳統數控制造主要是「去除型」,即在原材料基礎上,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,就能直接根據計算機圖形數據,通過一層層增加材料的方法直接造出任何形狀的物體,這不僅縮短產品研制周期、簡化產品的制造程序,提高效率,而且大打降低了成本,因此被稱為「增材制造」。

用3D打印技術制造戰機,中國并不是第一家。1984年,美國開發出從數字數據打印出3D物體的技術,并在2年后開發出第一臺商業3D打印機。之所以叫「打印機」,是因為它借鑒了打印機的噴墨技術,只不過,普通的打印機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」出三維的立體實物來。

以一個手電筒為例,3D打印機能通過計算機將手電筒進行立體掃瞄,創建三維設計圖,之后對這個立體原型進行「切片」,分成一層一層的,之后,打印機就將原材料按照設計圖一層一層地「噴」上去,直到最終造出一個手電筒來,只不過3D打印機噴出的不是墨粉,而是融化的樹脂、金屬或者陶瓷等材料。

美國空軍一下子就被這種新技術吸引,他們認為,如果將這種技術用在武器制造上,產生的威力將是驚人的。在航空工業上廣泛被使用的一種金屬是鈦,它的密度只有鋼鐵的一半,強度卻遠勝于絕大多數合金,如果通過激光將鈦熔化并一層層噴出飛機來,無疑將大大提高美國戰機的制造速度。為此,1985年,在五角大樓主導下,美國秘密開始了鈦合金激光成形技術研究,1992年這項技術才公之于眾。

不過,由于在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術難題無法解決,美國始終無法生產高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構件。2005年,美國從事鈦合金激光成型制造業務的商業公司Aeromet由于始終無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸復雜鈦合金構件,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打印或進行鈦合金零件表面修復。

我國于1999年開始金屬零件的激光快速成形技術研究,在國家「863」、「973」計劃、國家自然科學基金重點項目等的大力支持下,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化示范水平的激光快速成形系統和裝備;掌握了金屬零件激光快速成形的關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合金的力學性能均達到或超過鍛件的水平,為該技術在上述材料零件的直接制造方面奠定了基礎;近年來,我國在飛機鈦合金大型整體結構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構件的變形開裂及內部質量控制兩大技術難題,通過對鈦合金零件凝固組織的有效控制,所成形的飛機鈦合金結構件的綜合力學性能達到或超過鈦合金模鍛件,已通過裝機評審并得到應用。

中國的鈦合金激光成形技術起步較晚,直到1995年美國解密其研發計劃3年后才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學習階段,不過卻后來居上,其中,中航激光技術團隊取得的成就最為顯著?!赣^察者網」文章表示,早在2000年前后,中航激光技術團隊就已開始投入「3D激光焊接快速成型技術」研發,解決了多項世界技術難題、生產出結構復雜、尺寸達到4米量級、性能滿足主承力結構要求的產品。

目前,中國已具備了使用激光成形超過12平方米的復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。在解決了材料變形和缺陷控制的難題后,中國生產的鈦合金結構部件迅速成為中國航空力量的一項獨特優勢,目前,中國先進戰機上的鈦合金構件所占比例已超過20%。


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