中國的激光直接制造技術(shù)已能3D打印鈦金殲20的大型整體關(guān)鍵構(gòu)件

新型輕質(zhì)材料對國防高新技術(shù)武器裝備有重要作用，鈦合金憑借強(qiáng)度大、抗腐蝕、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性，已被世界多個軍事強(qiáng)國列為具有戰(zhàn)略意義的新型結(jié)構(gòu)金屬材料。在使用鈦合金材料領(lǐng)域，世界各主要強(qiáng)國爭先奪后。以航空應(yīng)用為例，美國1959年秘密研制的的飛行速度高達(dá)三倍音速的SR-71“黑鳥”戰(zhàn)略偵察機(jī)，堪稱“全鈦飛機(jī)”，鈦合金使用量占機(jī)體重量的93%，直到目前也是用鈦最多的飛機(jī)。

波音公司和空客公司研制的大型客機(jī)，在B747、A300時代的鈦合金用量為4%，到了波音787、A-380飛機(jī)時代，已上升近10%。第三代戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件用量由F-4鬼怪式戰(zhàn)斗機(jī)的約3%增加到了F/A18EF和蘇-27的15%以上，而第四代殲擊機(jī)F-22的鈦合金結(jié)構(gòu)件用量已占機(jī)身結(jié)構(gòu)總重量的41%。事實上，第四代以后的戰(zhàn)斗機(jī)基本上是一架鈦合金+復(fù)合材料的飛機(jī)。

圖片：殲-31戰(zhàn)機(jī)4個激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框。

從鈦合金在造船業(yè)中的使用規(guī)模和技術(shù)來看，俄羅斯遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于世界上其他所有國家。從20世紀(jì)60年代開始，蘇聯(lián)/俄羅斯先后生產(chǎn)了一系列鈦制核潛艇群。采用鈦合金材料建造耐壓殼體的潛艇，下潛極限深度甚至超過900米，破壞深度達(dá)1300米，迄今仍為世界潛艇之最，在臺風(fēng)級戰(zhàn)略核潛艇上，鈦合金的用量更是高達(dá)9000噸。中國國產(chǎn)深潛器技術(shù)一開始也是學(xué)習(xí)俄羅斯技術(shù)，蛟龍?zhí)柹顫撈鞯?.6米耐壓殼即為俄羅斯制造，中國在2015年根據(jù)俄羅斯技術(shù)基礎(chǔ)自行研制出國產(chǎn)深潛器耐壓殼。

大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件用量的高低已成為衡量國防裝備技術(shù)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。美制M777式155mm榴彈炮大量使用鈦合金材料，在3.7噸重的火炮中使用了近1噸鈦合金材料，占全炮重量的27%。美國甚至研究過艾布拉姆斯M1A2坦克的鈦合金炮塔，可以減重4噸。

西北工業(yè)大學(xué)制造的運(yùn)20大型運(yùn)輸機(jī)鈦合金承力梁，長度達(dá)到5米。

對陸軍武器重量有著變態(tài)般要求的中國軍隊，早就有鈦合金應(yīng)用于武器的經(jīng)驗，中國武器玩鈦合金的歷史并不比歐美晚多少，早在上世紀(jì)八十年代，中國就使用鈦合金，研制過60/82/100毫米迫擊炮，配備于空降兵部隊，其中使用TA7鈦合金材料的80式100毫米迫擊炮，全炮重量僅為52公斤，可以分解以后，由三名士兵背起來就走，極大增強(qiáng)了空降步兵團(tuán)的火力。中國還在2002年研制了02式14.5毫米高射機(jī)槍，整槍重量只有73公斤，大量采用鋁合金和鈦合金材料，是世界上第一種鈦機(jī)槍，而且也是迄今為止全世界唯一的鈦合金大口徑機(jī)槍。你知道這種大口徑高射機(jī)槍輕到什么程度嗎，需要射手坐在機(jī)槍后面當(dāng)配重才能射擊，否則一炮就翻車了。

近幾年，中國鈦合金已由完全仿制過渡到創(chuàng)新與仿制相結(jié)合的新階段，在高溫鈦合金、高強(qiáng)鈦合金、耐蝕鈦合金、阻燃鈦合金、低溫鈦合金的開發(fā)上取得重大突破。

飛機(jī)上大型機(jī)構(gòu)件的傳統(tǒng)生產(chǎn)主要采用“鍛造+機(jī)加工”的方法，該方法工序繁多、工藝復(fù)雜、材料利用率低、機(jī)械加工量大、數(shù)控加工效率低、制造成本高、生產(chǎn)周期長，采用激光制造技術(shù)直接制造大型鈦合金結(jié)構(gòu)件顯示了巨大的優(yōu)勢。

對于戰(zhàn)斗機(jī)的結(jié)構(gòu)制造來說，機(jī)身的大框是最重要、最耗時、也是最昂貴的部件，同時還是限制戰(zhàn)斗機(jī)產(chǎn)能和性能壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。特別是那些不惜成本追求性能的主力制空戰(zhàn)斗機(jī)，往往會采用難以加工的鈦合金作為材料，而這又進(jìn)一步引發(fā)了成本的增高和產(chǎn)能有限的矛盾。

大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件低成本、短周期成形制造技術(shù)，是制約我國航空裝備研制與生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”之一。

國內(nèi)在2013年之前，能投入使用的僅有一臺3萬噸的模鍛壓機(jī)。鍛造能力為鋁合金件最大投影面積不超過2平米，鈦合金件投影面積不能超過1.2平米。這個水平完全不足以完成殲20這樣的雙發(fā)重型戰(zhàn)斗機(jī)的鈦合金大框一體化鍛造的。

在這種限制下，殲20的鈦合金大框，只能在設(shè)計上先分成幾個鍛件，分別鍛造好以后，再用電子束焊接工藝連接成一個整體。這個工藝源于中國引進(jìn)蘇27時獲得的全套技術(shù)體系，同樣是當(dāng)年蘇聯(lián)大型鈦合金件鍛造能力遠(yuǎn)不如美國時搞出來的變通辦法。

F-22是美國戰(zhàn)斗機(jī)中使用鈦合金與復(fù)合材料最多的機(jī)型。其中鈦合金約39%、熱定型復(fù)合材料約25%、鋁合金約16%、鋼約6%、其它約15%。

在2013年4月10日，中國二重集團(tuán)研發(fā)的世界最大的8萬噸模鍛壓機(jī)成功的實現(xiàn)了試生產(chǎn)。中國在大型航空航天鍛造件的制造能力上有了本質(zhì)性的突破，達(dá)到世界最頂級水平。而對于殲20來說，這意味著它能夠采用一次完整成型的鈦合金大框，其壽命將獲得巨大的突破。

傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。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鍛造鈦合金框。4個鍛造的鈦合金整體式承力框，其中最大的重2770kg，但是零件制造浪費(fèi)嚴(yán)重，原料的95%都會被作為廢料切掉。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，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)象。

激光快速成形技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點，為克服大型鈦合金結(jié)構(gòu)件上述制造技術(shù)缺點提供了一條新途徑。美國等西方工業(yè)及軍事強(qiáng)國對其十分重視，美國國防部自1995年來先后實施一系列專門研究計劃，對飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件快速成形技術(shù)予了重點支持，研究與應(yīng)用進(jìn)展迅速。

2013年，“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。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。

在北京航空大學(xué)王華明教授當(dāng)選中國工程院院士候選人的公示中，我們看到了中國鈦合金技術(shù)在軍事武器領(lǐng)域里的具體成就：激光增材制造工藝，已在殲-15、殲-31、運(yùn)-20、殲-11B、C919等7種飛機(jī)，東風(fēng)XX等3種導(dǎo)彈，遙感24等2種衛(wèi)星，渦扇13等3種航空發(fā)動機(jī)和1型燃?xì)廨啓C(jī)等重點型號中獲得工程應(yīng)用并發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2013年國家啟動科技重大專項課題“飛機(jī)鈦合金尾段制造關(guān)鍵成套裝備研制及示范應(yīng)用”。在中航集團(tuán)先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的設(shè)計和研發(fā)生產(chǎn)中，鈦合金成形技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛運(yùn)用。兩型第五代戰(zhàn)斗機(jī)殲-20和殲-31都采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，降低了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機(jī)的推重比。

2013年第十六屆中國北京國際科技產(chǎn)業(yè)博覽會上，中航重機(jī)控股子公司中航激光展示了獲得2012年度“國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎”的飛機(jī)鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)。

我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)計劃3年才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學(xué)習(xí)，迄今國內(nèi)開展過鈦合金激光快速成形技術(shù)研究的單位有北京有色金屬研究總院、西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等。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，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，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。依托激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，中航曾在一年之內(nèi)連續(xù)組裝出殲-20、殲-15、殲-16、殲-31、運(yùn)20等多型戰(zhàn)斗機(jī)并且進(jìn)行試飛。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)并實現(xiàn)工程應(yīng)用的國家。

來源：新浪軍事
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