2013年5月24日，在第十六屆中國北京國際科技產(chan) 業(ye) 博覽會(hui) 上，中航重機控股子公司中航激光所屬研發團隊展示了獲得2012年度“國家技術發明獎一等獎”的飛機鈦合金大型整體(ti) 關(guan) 鍵構件激光成形技術。　

    據參與(yu) 該項研究的北京航空航天大學材料加工工程的人員稱，北京航空航天大學已與(yu) 中航工業(ye) 集團成立中航激光公司，以對該項技術成果實現產(chan) 業(ye) 化。在這次展會(hui) 上，還首次公開展示了某型戰機的大型鈦合金零件。飛機鈦合金大型整體(ti) 關(guan) 鍵構件激光成形技術是“3D打印技術”的高端發展形勢，是一項“變革性”的短周期、低成本、數字化先進製造技術。該項目在國際上首次突破了飛機鈦合金大型整體(ti) 主承力結構件激光成型工藝、力學性能控製、工程化成套設備、技術標準。已經用激光直接製造30多種鈦合金燈大型複雜關(guan) 鍵金屬零件在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲擊機等7型飛機中裝機應用，解決(jue) 型號研製“瓶頸”，使中國成為(wei) 迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光直接製造技術並實現工程應用的國家。

    2013年1月18日，國務院向“飛機鈦合金大型複雜整體(ti) 構件激光成形技術”頒發國家技術發明獎一等獎。目前，這一技術在我國已經投入工業(ye) 化製造，使我國成為(wei) 繼美國之後、世界上第二個(ge) 掌握飛機鈦合金結構件激光快速成形及技術的國家。（圖為(wei) 國內(nei) 公開刊物《航空製造技術》雜誌所刊登的某型飛機後機身部件結構示意圖，一些觀察人士稱，這顯示殲-31戰機至少有4個(ge) 激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構件加強框。）

    更加令人欣喜的是，在性能上，根據公開的材料表明，我國已經能夠生產(chan) 優(you) 於(yu) 美國的激光成形鈦合金構件。成為(wei) 目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件製造且付諸實用的國家。

    一些觀察人士稱，這顯示殲-31戰機至少有4個(ge) 激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構件加強框。

    目前，我國已經具備了使用激光成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，並投入多個(ge) 國產(chan) 航空科研項目的原型和產(chan) 品製造中。成為(wei) 目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件製造並且裝機工程應用的國家。

    節約90%的材料和成本

    在解決(jue) 了材料變形和缺陷控製的難題後，中國生產(chan) 的鈦合金結構部件迅速成為(wei) 中國航空研製的一項獨特優(you) 勢。由於(yu) 鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構件在航空領域有著廣泛的應用前景。目前，先進戰機上的鈦合金構件所占比例已經超過20%。

    傳(chuan) 統的鈦合金零件製造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易於(yu) 大尺寸製造，但重量較大且無法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件製造浪費嚴(yan) 重，原料的95%都會(hui) 被作為(wei) 廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴(yan) 格的限製：3萬(wan) 噸大型水壓機隻能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬(wan) 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(liang) 種技術都無法製造複雜的鈦合金構件，而焊接則會(hui) 遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。 

    激光鈦合金成形技術則完全解決(jue) 了這一係列難題，由於(yu) 采用疊加技術，它節約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要製造專(zhuan) 用的模具，原本相當於(yu) 材料成本1~2倍的加工費用現在隻需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金複雜結構件，粗略估計，傳(chuan) 統工藝的成本大約是2500萬(wan) 元，而激光3D焊接快速成型技術的成本僅(jin) 130萬(wan) 元左右，其成本僅(jin) 是傳(chuan) 統工藝的5%。

    更重要的是，許多複雜結構的鈦合金構建可以通過3D打印的方式一體(ti) 成型，不僅(jin) 節省了工時，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術製造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%。

圖為(wei) 中國鈦合金3D打印機製造的大型承力零件，在航空領域，fun88官网平台鈦合金成形技術已經得到了廣泛的應用。

    在中航成飛和沈飛的下一代戰鬥機的設計研發中，激光鈦合金成形技術已經得到了廣泛運用。通過這一技術，正在研製的兩(liang) 型第五代戰鬥機殲-20和殲-31采用鈦合金的主體(ti) 結構，成功降低了飛機的結構重量，提高了戰機的推重比；依托激光鈦合金成形造價(jia) 低、速度快的特點，沈飛在一年之內(nei) 連續組裝出殲-15、殲-16、殲-31等多型戰鬥機並且進行試飛。

    民用航空製造業(ye) 也開始應用這一技術。目前，在西北工業(ye) 大學凝固技術國家重點實驗室下設的激光製造工程中心，通過激光立體(ti) 成型技術為(wei) 將於(yu) 2014年投產(chan) ，並在2016年投入運營的國產(chan) 客機C919製造了鈦合金翼梁，長度超過5米。

　西北工業(ye) 大學製造的鈦合金承力梁，長度達到5米。

    除了製造外，這些部件在出現問題後，也將可以使用同樣的技術進行修複，而無需重新製造，這將可以節省大量用於(yu) 更換受損部件的費用。#p#分頁標題#e#

    憑借激光鈦合金成形技術，中國在航空材料科學領域第一次走在了世界先進水平的前列，並為(wei) 中國航空工業(ye) 的發展打下了堅實的基礎。 

    殲-15、殲-16、殲-20、殲-31……近年來，中國軍(jun) 事科技突飛猛進，以先進戰機為(wei) 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(liang) 會(hui) 上，全國政協委員、殲-15總設計師孫聰透露了中國軍(jun) 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(wei) “將推動實現第三次工業(ye) 革命”的技術，早已引發美國、歐洲諸國的激烈鏖戰，“戰火”從(cong) 太空一直蔓延到器官移植，從(cong) F-35、F-22等先進武器“燒”到每個(ge) 人的日常用品，現在中國竟後來居上，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(liang) 種隱身戰鬥機上采用了超大尺寸激光增材鈦合金構件，其體(ti) 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平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，成為(wei) 目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件製造、應用的國家。

    全國兩(liang) 會(hui) 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(ye) 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。“對不起，對不起，這些真不能說”，麵對記者提出的幾個(ge) 有關(guan) 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(ye) 和我國航空工業(ye) 井噴之年。讓世界震驚的不光是技術，更因為(wei) 航空工業(ye) 發展體(ti) 現了中國速度”，麵對《科技日報》的專(zhuan) 訪，孫聰說。作為(wei) 我國自行設計研製的首型艦載多用途戰鬥機，殲-15可以說“高起點，高起步，從(cong) 一無所有一下子跨越到第三代戰鬥機的艦載機，殲-15達到美國最先進的第三代艦載機‘大黃蜂’的技術水準。”（圖為(wei) 殲-15戰鬥機，據稱它可能已經使用了3D打印技術）

    從(cong) 沒有技術儲(chu) 備、技術規範、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，提高了試製效率；五級成熟度管理模式，衝(chong) 破設計和製造的組織壁壘，而這與(yu) 3D打印技術關(guan) 係緊密。他透露，鈦合金和M100鋼的3D打印技術已應用於(yu) 新機試製過程，主要是主承力部分。

    在傳(chuan) 統的戰鬥機製造流程當中，飛機的3D模型設計好後，需要進行長期的投入來製造水壓成型設備，而使用3D打印這種增材製造技術後，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打印的增材製造技術，殲-15戰鬥機至今能否首飛都很難講。

    “鈦合金3D打印技術已用於(yu) 新機研製”，這一條消息立刻成為(wei) 媒體(ti) 矚目的焦點。《京華時報》引述孫聰的話說，鈦合金和M100鋼的3D打印技術已廣泛用於(yu) 新機設計試製過程。報道稱，於(yu) 2012年10月至11月首飛成功的機型，廣泛使用了3D打印技術製造鈦合金主承力部分，包括整個(ge) 前起落架。“2002年，3D打印技術剛萌芽時，我們(men) 就進行相關(guan) 技術研發，通過與(yu) 北航的合作，目前已具備一定產(chan) 業(ye) 能力。”

（圖為(wei) F-15戰鬥機鈦合金整體(ti) 框的水壓機成形模具）

    傳(chuan) 統數控製造主要是“去除型”，即在原材料基礎上，使用切割、磨削、腐蝕、熔融等辦法，去除多餘(yu) 部分，得到零部件，再以拚裝、焊接等方法組合成最終產(chan) 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(ti) ，這不僅(jin) 縮短產(chan) 品研製周期、簡化產(chan) 品的製造程序，提高效率，而且大打降低了成本，因此被稱為(wei) “增材製造”。

    用3D打印技術製造戰機，中國並不是第一家。1984年，美國開發出從(cong) 數字數據打印出3D物體(ti) 的技術，並在2年後開發出第一台商業(ye) 3D打印機。之所以叫“打印機”，是因為(wei) 它借鑒了打印機的噴墨技術，隻不過，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(ti) 實物來。

    以一個(ge) 手電筒為(wei) 例，3D打印機能通過電腦將手電筒進行立體(ti) 掃描，創建三維設計圖，之後對這個(ge) 立體(ti) 原型進行“切片”，分成一層一層的，之後，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(ge) 手電筒來，隻不過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。

（小圖為(wei) 美國F-22戰機的鈦合金整體(ti) 式承力框，它曾經是世界上最大的一體(ti) 式鈦合金構件）

    美國空軍(jun) 一下子就被這種新技術吸引，他們(men) 認為(wei) ，如果將這種技術用在武器製造上，產(chan) 生的威力將是驚人的。在航空工業(ye) 上廣泛被使用的一種金屬是鈦，它的密度隻有鋼鐵的一半，強度卻遠勝於(yu) 絕大多數合金，如果通過激光將鈦熔化並一層層噴出飛機來，無疑將大大提高美國戰機的製造速度。為(wei) 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年這項技術才公之於(yu) 眾(zhong) 。

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（圖為(wei) 美國Aeromet公司生產(chan) 的F/A-18E戰鬥機的激光增材超大尺寸整體(ti) 框，因強度問題在試驗中測試失敗）

    不過，由於(yu) 在製造過程中鈦合金變形、斷裂的技術難題無法解決(jue) ，美國始終無法生產(chan) 高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構件。2005年，美國從(cong) 事鈦合金激光成型製造業(ye) 務的商業(ye) 公司Aeromet由於(yu) 始終無法生產(chan) 出性能滿足主承力要求的大尺寸複雜鈦合金構件，沒能實現有價(jia) 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，隻能進行小尺寸鈦合金部件的打印或進行鈦合金零件表麵修複。

    我國於(yu) 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(ye) 化示範水平的激光快速成形係統和裝備；掌握了金屬零件激光快速成形的關(guan) 鍵工藝及組織性能控製方法，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(wei) 該技術在上述材料零件的直接製造方麵奠定了基礎；近年來，我國在飛機鈦合金大型整體(ti) 結構件的激光快速成形方麵取得了重要突破，有效解決(jue) 了激光快速成形鈦合金大型整體(ti) 結構件的變形開裂及內(nei) 部質量控製兩(liang) 大技術難題，通過對鈦合金零件凝固組織的有效控製，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，已通過裝機評審並得到應用。

（圖為(wei) F-35的鈦合金整體(ti) 框，目前美國仍然隻能使用水壓機來進行這種構件的生產(chan) ）

    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年後才開始投入研究。早期基本屬於(yu) 跟隨美國的學習(xi) 階段，不過卻後來居上，其中，中航激光技術團隊取得的成就最為(wei) 顯著。“觀察者網”文章表示，早在2000年前後，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(jue) 了多項世界技術難題、生產(chan) 出結構複雜、尺寸達到4米量級、性能滿足主承力結構要求的產(chan) 品。

    目前，中國已具備了使用激光成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，成為(wei) 目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件製造、應用的國家。在解決(jue) 了材料變形和缺陷控製的難題後，中國生產(chan) 的鈦合金結構部件迅速成為(wei) 中國航空力量的一項獨特優(you) 勢，目前，中國先進戰機上的鈦合金構件所占比例已超過20%。

我國殲-20戰鬥機