3D打印技術(shù)如何生產(chǎn)出殲20零件？美國沒解決的難題中國先搞定

圖片為7月16日，在北京隆重開幕的國防科技工業(yè)軍民融合發(fā)展成果展上，我國展出的一種戰(zhàn)斗機超大尺寸鈦合金件讓世界矚目。

鈦是上世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，它的密度只有鐵的一半，但結(jié)構(gòu)強度則數(shù)倍于后者，由于鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于航空航天領(lǐng)域，由于鈦合金材料加工技術(shù)是一個國家航空航天工業(yè)生產(chǎn)的基本技能，美國等西方國家長期對中國實行技術(shù)封鎖，生怕中國掌握這項技術(shù)。然而，自2008年以來，我國在激光增材鈦合金加工技術(shù)上的突破，徹底讓西方國家遏制中國航空工業(yè)發(fā)展的伎倆落空。

一、用3D打印制造飛機零件很不容易 美國嘗試10多年沒成功

激光成形技術(shù)或激光增材技術(shù)也就是我們常說的“3D打印”，它是將鈦材料粉末進(jìn)行激光高溫處理后“組成”一個鈦合金部件的“神奇魔術(shù)”，3D打印前先通過計算機建模，再將建成的三維模型“分區(qū)”成逐層的截面，即切片，從而指導(dǎo)打印機逐層打印。3D打印機通過讀取文件中的橫截面信息，用液體狀、粉狀或片狀的材料將這些截面逐層地打印出來，再將各層截面以各種方式粘合起來從而制造出一個實體。這種技術(shù)的特點在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

據(jù)悉，飛機鈦合金大型整體關(guān)鍵構(gòu)件激光成形技術(shù)是“3D打印技術(shù)”的高端發(fā)展形勢，對航空工業(yè)來說是一場革命性的技術(shù)，而跑在這項技術(shù)前列的是中美兩國。目前，世界上主流戰(zhàn)斗機和客機都大量使用鈦合金材料生產(chǎn)的鈦合金結(jié)構(gòu)零件，比如F-22戰(zhàn)斗機的鈦合金用量就高達(dá)35%，傳統(tǒng)的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無法加工成精細(xì)的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰(zhàn)機主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費嚴(yán)重，原料95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴(yán)格限制，人們一直在尋找解決這一問題的辦法，最終找到了激光成形技術(shù)。

3D打印技術(shù)如何生產(chǎn)出殲20零件？美國沒解決的難題中國先搞定

圖片為我國展出的超大型某型號戰(zhàn)斗機鈦合金飛機承力件，據(jù)香港《南華早報》稱中國的殲-20，殲-15戰(zhàn)斗機也使用這種鈦合金零件。

美國是最早開發(fā)鈦合金3D打印技術(shù)的國家。1985年，美國就在國防部的主導(dǎo)下秘密開始了鈦合金激光成形技術(shù)的研究，并在1992年公之于眾。隨后美國繼續(xù)研發(fā)這一技術(shù)，并在2002年將激光成形的鈦合金零件裝上戰(zhàn)機試驗。然而，因為在制造過程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無法解決，美國始終無法生產(chǎn)高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國從事鈦合金激光成型制造業(yè)務(wù)的商業(yè)公司Aeromet由于始終無法生產(chǎn)出性能滿足主承力要求的大尺寸復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，沒有實現(xiàn)有價值的市場應(yīng)用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，目前只能進(jìn)行小尺寸鈦合金部件的打印和鈦合金零件表面修復(fù)。

二、中國鈦合金3D打印技術(shù)起步晚 但發(fā)展神速已經(jīng)領(lǐng)先美國

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)，在全國多所大學(xué)和研究所設(shè)立實驗室進(jìn)行研究。其中，中航激光技術(shù)團(tuán)隊取得的成就最為顯著。早在2000年前后，中航激光技術(shù)團(tuán)隊就已經(jīng)開始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，在國家特別是軍方資金的持續(xù)支持下，經(jīng)過數(shù)年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)”、“熱應(yīng)力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術(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，具有了商業(yè)應(yīng)用價值。

軍事專家稱，目前，中國殲-31戰(zhàn)機至少有4個激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強框，而美國目前并不能生產(chǎn)如此大型號的鈦合金部件。此外，我國已經(jīng)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，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。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)件制造并且裝機工程應(yīng)用的國家。

外國媒體稱，中國已經(jīng)用激光增材技術(shù)直接制造30多種鈦合金等大型復(fù)雜關(guān)鍵金屬零件，并在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲-20殲擊機等7型飛機中裝機應(yīng)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(shù)并實現(xiàn)工程應(yīng)用的國家。