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準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)動機等設計均由中國自己的團隊完成。在大型客機整體機型設計的關(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)中國科學家數(shù)十年的心血。

自國務院成立大型飛機重大專項領(lǐng)導小組起，C919等國產(chǎn)大飛機研制已走過15年，距離上世紀的大飛機項目“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，中國科學院院士曹春曉和中國工程院院士王華明科普了應用在C919制造中的鈦合金應用和金屬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，國務院批準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數(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。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，把三維的復雜零件當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雜的構(gòu)件�！耙郧拔覀兛値焸兒茴^疼，他可以設計出非常好的結(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，自由地設計，我們想辦法去做，當然我們可能永遠跟不上設計師的步伐，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�做大事情，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�！蓖跞A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。