中國領(lǐng)跑神奇的“3D打印”

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)團隊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)團隊就已開始投入“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、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獨特優(yōu)勢，目前，中國先進戰(zhàn)機上的鈦合金構(gòu)件所占比例已超過20%。

如果與傳統(tǒng)制造技術(shù)做一個對比，就會對中國近年新飛機接連亮相的原因有個大概了解。傳統(tǒng)鈦合金零件制造，主要依靠鑄造和鍛造，其中鑄造零件用于大尺寸制造，美國F-22戰(zhàn)機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框，但鑄造的零件重量較大且無法加工成精細(xì)的形狀；鍛造切削精度較好，但零件制造浪費嚴(yán)重，原料的95%都會被作為廢料切掉。讓飛機制造商頭疼的是，由于受到機器的限制，鍛造鈦合金的尺寸也不能過大。3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界最大的8萬噸水壓機，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。

激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，它節(jié)約了90%的昂貴的原材料，還不需要制造專用模具，原本相當(dāng)于材料成本1-2倍的加工費現(xiàn)在只需原來的10%。加工1噸重的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，傳統(tǒng)工藝成本大約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，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)件可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時，還大大提高了材料強度。“觀察者網(wǎng)”文章表示，美國F-22戰(zhàn)機的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術(shù)制造，在強度相當(dāng)?shù)那闆r下，重量最多可減少40%。文章表示，在航空領(lǐng)域，在中航成飛和沈飛的下一代戰(zhàn)斗機設(shè)計研發(fā)中，激光鈦合金成形技術(shù)已得到廣泛運用。通過這一技術(shù)，正在研制的兩型第五代戰(zhàn)斗機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體結(jié)構(gòu)，成功降低了飛機的結(jié)構(gòu)重量，提高了戰(zhàn)機的推重比；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)斗機并試飛，很大程度上得益于鈦合金3D打印的低成本和快速、便捷。

此外，中國民用航空制造業(yè)也開始應(yīng)用這一技術(shù)。在西北工業(yè)大學(xué)凝固技術(shù)國家重點實驗室下設(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)、2016年投入運營的國產(chǎn)客機C-919制造了鈦合金翼梁，長度超過5米。除制造外，這些部件即使出現(xiàn)問題，也可以使用同樣的技術(shù)進行修復(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用。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水平的前列，正因為如此，今年1月18日，國務(wù)院向“飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)”頒發(fā)國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。