金屬3D打印技術(shù)助力：國產(chǎn)大飛機(jī)即將交付,，50年攻堅(jiān)和追趕背后

來源: 新京報(bào)  

距離國產(chǎn)大飛機(jī)投入使用，只有一步之遙了,。

上海兩會(huì)期間,，上海市政協(xié)委員、中國商飛公司總會(huì)計(jì)師吳永良表示,，C919目前處于適航取證階段,，預(yù)計(jì)將在2022年完成交付。

C919是中國首款完全按照國際先進(jìn)適航標(biāo)準(zhǔn)所研制的單通道大型客機(jī),，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),。其機(jī)頭,、機(jī)身、機(jī)翼到翼吊發(fā)動(dòng)機(jī)等設(shè)計(jì)均由中國自己的團(tuán)隊(duì)完成,。在大型客機(jī)整體機(jī)型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)上,，C919實(shí)現(xiàn)了100多項(xiàng)攻關(guān)突破，其背后,，是無數(shù)中國科學(xué)家數(shù)十年的心血,。

自國務(wù)院成立大型飛機(jī)重大專項(xiàng)領(lǐng)導(dǎo)小組起，C919等國產(chǎn)大飛機(jī)研制已走過15年,，距離上世紀(jì)的大飛機(jī)項(xiàng)目“運(yùn)10”,，更是過去了50年。




近日,，兩位參與過國產(chǎn)大飛機(jī)研發(fā)的院士罕見地參加了同一檔科普節(jié)目,。在抖音與中國科協(xié)“科創(chuàng)中國”聯(lián)合出品的《院士開講》中，中國科學(xué)院院士曹春曉和中國工程院院士王華明科普了應(yīng)用在C919制造中的鈦合金應(yīng)用和金屬3D打印技術(shù),，讓我們看到了國產(chǎn)大飛機(jī)背后技術(shù)攻堅(jiān)的艱辛過程,。

給國產(chǎn)大飛機(jī)換上鈦合金




2006年，國務(wù)院批準(zhǔn)成立大型飛機(jī)方案論證委員會(huì),，曹春曉是唯一從事航空材料研究的委員,。國產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目啟動(dòng)后，曹春曉擔(dān)任專家咨詢委員會(huì)委員,，奔波于全國各地,。大飛機(jī)項(xiàng)目涵蓋民用和軍用機(jī)型，民用客機(jī)代號(hào)就是C919,。

飛機(jī)的自重越少越好,，飛機(jī)自身的重量占它整個(gè)起飛重量的百分?jǐn)?shù)，稱為“飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)”,。過去七十年,，沒有一架飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)低于27%，就是受制于大型構(gòu)件的性能和大型構(gòu)件的制造能力,。鈦合金材料成為其中的關(guān)鍵。通過鈦合金材料和鍛造技術(shù)的提升,，可以減輕飛機(jī)的結(jié)構(gòu)重量,，提升其競(jìng)爭(zhēng)力。

如今,，對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求更高的C919,，鈦合金用量達(dá)到8%，與美國波音777的7.5%用量相當(dāng),。大飛機(jī)的制造離不開對(duì)技術(shù)要求極高的大鍛件,。在《院士開講》欄目中,，曹春曉展示了一個(gè)用于C919的鈦合金鍛件接頭，這個(gè)名為TC4的接頭,，重量為600公斤,。為了制造類似的鍛件，中國建設(shè)了世界上壓力最大的8萬噸液壓機(jī),。


來源：抖音《院士開講》第五期

2015年11月,，擁有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的C919在上海總裝下線,，正式向全球公開亮相,。曹春曉在現(xiàn)場(chǎng)激動(dòng)不已，四十多年的夢(mèng)想終于成真,。

2017年5月5日,，C919大型客機(jī)在上海成功首飛。2021年3月,，C919拿下首單訂單,。截至2022年初，C919已經(jīng)拿下815架訂單,。



曹春曉院士（左四）在C919下線現(xiàn)場(chǎng)

彎道超車的3D打印技術(shù)

作為改革開放后走上科研崗位的中堅(jiān)力量,，王華明院士致力于用3D打印技術(shù)解決材料鍛造難題，對(duì)于國產(chǎn)大飛機(jī)的研制也發(fā)揮了關(guān)鍵作用,。他今年50歲,，已經(jīng)在金屬3D打印領(lǐng)域鉆研22年。

“3D打印”在業(yè)界有更學(xué)術(shù)的名稱：增材制造,。這項(xiàng)在1980年左右誕生的制造技術(shù),，得益于計(jì)算機(jī)的發(fā)明，使制造過程變得數(shù)字化,。而其原理,，就是把零件切分成無窮多的平面，把三維的復(fù)雜零件當(dāng)成二維的平面問題來做,。

所謂的“增材”,，就是一層一層地往上增加原料來做成新的材料，就像高等數(shù)學(xué)里的定積分,。增材制造,，就是把粉和絲這樣的原料，通過熔化的過程,，完成合金化,，完成凝固，完成材料的制備,，與此同時(shí),，塑膜直接變成零件,，材料制備的過程本身就是制造復(fù)雜零件的過程，中間不再需要有傳統(tǒng)的冶金工業(yè),，傳統(tǒng)的鍛造工業(yè)過程,。




來源：抖音《院士開講》第九期

王華明院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的激光增材制造技術(shù)，為國產(chǎn)大飛機(jī)和新型戰(zhàn)斗機(jī)提供了關(guān)鍵受力大型部件,�,！拔覀儓F(tuán)隊(duì)真正瞄準(zhǔn)的核心，是如何控制微區(qū)冶金這個(gè)過程,，能做出高品質(zhì)的材料,，能讓材料的性質(zhì)發(fā)生質(zhì)的變革�,！蓖跞A明說,。

在《院士開講》中，王華明還分享了一次攻堅(jiān)經(jīng)歷,。美國等國外技術(shù)團(tuán)隊(duì)率先嘗試用增材制造的方法制造鈦合金構(gòu)件,，結(jié)果疲勞性能不夠，嘗試了很多辦法還是未能改善,，在2005年左右放棄了這條路,。而王華明的團(tuán)隊(duì)繼續(xù)堅(jiān)持，雖然起步晚于國外,，最終卻做出了可以用于大飛機(jī)的關(guān)鍵構(gòu)件,。



來源：抖音《院士開講》第九期

從2007年起，王華明團(tuán)隊(duì)就已制造出許多非常復(fù)雜的構(gòu)件,�,！耙郧拔覀兛値焸兒茴^疼，他可以設(shè)計(jì)出非常好的結(jié)構(gòu),，但我們搞制造的干不出來,，現(xiàn)在你就可以把這個(gè)約束取消掉，自由地設(shè)計(jì),，我們想辦法去做,，當(dāng)然我們可能永遠(yuǎn)跟不上設(shè)計(jì)師的步伐，但是你可以放開,，你們至少有很多余地會(huì)改善,。”王華明院士說,。

拿C919來說,，機(jī)頭主風(fēng)擋窗框就是王華明院士團(tuán)隊(duì)研發(fā)的,。這種部件尺寸大,、形狀復(fù)雜,，國內(nèi)飛機(jī)制造廠的傳統(tǒng)方法無法制作。歐洲一家公司可以制作,，但周期漫長,，需要兩年時(shí)間才能交貨，而且價(jià)格高昂,，僅每件模具費(fèi)就要50萬美元,。

2009年，王華明團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù),，耗時(shí)55天做出了C919機(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框,，成本不足歐洲鍛造模具費(fèi)的十分之一。

王華明團(tuán)隊(duì)通過和沈陽飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所等機(jī)構(gòu)的密切合作,，在大型關(guān)鍵構(gòu)件的制造上,，已經(jīng)取得了質(zhì)的突破。除了省去模具,、傳統(tǒng)鑄造鍛造外,，由于把三維問題當(dāng)成二維來做，零件的大小,、形狀,、尺寸，不再受制約,，理論上不再受到制約,。

“它將會(huì)改變未來裝備的結(jié)構(gòu)，也許會(huì)改變未來裝備性能,，也許一個(gè)飛機(jī)需要3萬個(gè)零件,，自重好幾十噸，現(xiàn)在有了3D打印之后,，幾萬個(gè)零件,，也許變成2000個(gè)零件，數(shù)量已經(jīng)大幅度減少,。通過打印高品質(zhì)的材料,，強(qiáng)度在提高，自重也在減輕,�,！蓖跞A明說。


來源：抖音《院士開講》第九期

科普和科研同樣重要

除了機(jī)身,，發(fā)動(dòng)機(jī)也是鈦合金應(yīng)用的重要場(chǎng)景,。航空發(fā)動(dòng)機(jī)被看作是大型運(yùn)輸機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)的“心臟”。在《院士開講》中，曹春曉透露,，“等長江渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)研制正式成功以后,，也會(huì)用到我們這個(gè)C919上面�,！� 長江1000渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的鈦用量已經(jīng)達(dá)到23%,。

在《院士開講》的最后，作為新中國成立后的第一代科學(xué)家,，曹春曉院士表達(dá)了他的愿望：“第一個(gè)愿望是希望（使用鈦合金材料）的新型國產(chǎn)飛機(jī)能夠早日投入使用,，第二個(gè)則是未來還能做出質(zhì)量更高的國產(chǎn)（航空）發(fā)動(dòng)機(jī)�,！�



來源：抖音《院士開講》第五期

曹春曉院士表示,，國產(chǎn)大飛機(jī)之路還很長，需要更多人參與進(jìn)來,。對(duì)此,，王華明也深有同感�,！耙�做大事��,，你一個(gè)人是做不成的，要沉下心來,，不要想著干每一份事情都要有一個(gè)眼前的這種利益,，可能你需要合作，需要有個(gè)團(tuán)隊(duì),，不同的人在一起,，干驚天動(dòng)地事，做隱姓埋名臣,，也許就是這么一種結(jié)果,。”王華明說,。

在他們看來,，科普和科研同樣重要。王華明院士曾參加央視《開講啦》等科普節(jié)目,，這次參加由抖音和中國科協(xié)“科創(chuàng)中國”聯(lián)合出品的《院士開講》,，也是希望與更多年輕網(wǎng)友進(jìn)行交流。

目前,，曹春曉和王華明院士的兩期內(nèi)容已經(jīng)在抖音,、今日頭條、西瓜視頻上線,，并吸引了上千萬人次觀看,。

王華明院士的講述很生動(dòng),，將3D打印的過程比作“揉面”。而曹春曉院士很擅長與年輕人進(jìn)行互動(dòng),，雖然已是87歲高齡,，卻依然關(guān)注很多年輕人關(guān)心的話題，比如科研院系的男女比例,，或是熬夜和加班問題。通過這些科普內(nèi)容,，越來越多的年輕網(wǎng)友開始對(duì)航天航空行業(yè)有了興趣,。