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

來源: 新京報  

距離國產(chǎn)大飛機投入使用,，只有一步之遙了,。

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

C919是中國首款完全按照國際先進適航標(biāo)準(zhǔn)所研制的單通道大型客機,，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán),。其機頭、機身,、機翼到翼吊發(fā)動機等設(shè)計均由中國自己的團隊完成,。在大型客機整體機型設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)上,，C919實現(xiàn)了100多項攻關(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)院成立大型飛機重大專項領(lǐng)導(dǎo)小組起，C919等國產(chǎn)大飛機研制已走過15年,，距離上世紀(jì)的大飛機項目“運10”,，更是過去了50年。




近日,，兩位參與過國產(chǎn)大飛機研發(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)大飛機背后技術(shù)攻堅的艱辛過程,。

給國產(chǎn)大飛機換上鈦合金




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

飛機的自重越少越好,，飛機自身的重量占它整個起飛重量的百分?jǐn)?shù)，稱為“飛機的結(jié)構(gòu)重量系數(shù)”,。過去七十年,，沒有一架飛機的結(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，可以減輕飛機的結(jié)構(gòu)重量,，提升其競爭力,。

如今，對經(jīng)濟性要求更高的C919,，鈦合金用量達到8%,，與美國波音777的7.5%用量相當(dāng),。大飛機的制造離不開對技術(shù)要求極高的大鍛件,。在《院士開講》欄目中，曹春曉展示了一個用于C919的鈦合金鍛件接頭,，這個名為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,。


來源：抖音《院士開講》第五期

2015年11月,，擁有我國自主知識產(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)場激動不已，四十多年的夢想終于成真,。

2017年5月5日,，C919大型客機在上海成功首飛。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

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，對于國產(chǎn)大飛機的研制也發(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,。這項在1980年左右誕生的制造技術(shù),，得益于計算機的發(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,，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

王華明院士團隊研發(fā)出的激光增材制造技術(shù)，為國產(chǎn)大飛機和新型戰(zhàn)斗機提供了關(guān)鍵受力大型部件,�,！拔覀儓F隊真正瞄準(zhǔn)的核心，是如何控制微區(qū)冶金這個過程,，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經(jīng)歷,。美國等國外技術(shù)團隊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,。而王華明的團隊繼續(xù)堅持，雖然起步晚于國外,，最終卻做出了可以用于大飛機的關(guān)鍵構(gòu)件,。



來源：抖音《院士開講》第九期

從2007年起，王華明團隊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)在你就可以把這個約束取消掉，自由地設(shè)計,，我們想辦法去做,，當(dāng)然我們可能永遠跟不上設(shè)計師的步伐，但是你可以放開,，你們至少有很多余地會改善,。”王華明院士說,。

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

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

王華明團隊通過和沈陽飛機設(shè)計研究所等機構(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,。

“它將會改變未來裝備的結(jié)構(gòu)，也許會改變未來裝備性能,，也許一個飛機需要3萬個零件,，自重好幾十噸，現(xiàn)在有了3D打印之后,，幾萬個零件,，也許變成2000個零件，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

除了機身,，發(fā)動機也是鈦合金應(yīng)用的重要場景,。航空發(fā)動機被看作是大型運輸機和戰(zhàn)斗機的“心臟”。在《院士開講》中,，曹春曉透露,，“等長江渦扇發(fā)動機研制正式成功以后，也會用到我們這個C919上面,�,！� 長江1000渦扇發(fā)動機的鈦用量已經(jīng)達到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,，曹春曉院士表達了他的愿望：“第一個愿望是希望（使用鈦合金材料）的新型國產(chǎn)飛機能夠早日投入使用,，第二個則是未來還能做出質(zhì)量更高的國產(chǎn)（航空）發(fā)動機�,！�



來源：抖音《院士開講》第五期

曹春曉院士表示,，國產(chǎn)大飛機之路還很長，需要更多人參與進來,。對此,，王華明也深有同感�,！耙�做大事��,，你一個人是做不成的，要沉下心來,，不要想著干每一份事情都要有一個眼前的這種利益,，可能你需要合作，需要有個團隊,，不同的人在一起,，干驚天動地事，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，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行互動,，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)友開始對航天航空行業(yè)有了興趣,。