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

圖片為7月16日，在北京隆重開(kāi)幕的國(guó)防科技工業(yè)軍民融合發(fā)展成果展上，我國(guó)展出的一種戰(zhàn)斗機(jī)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(lái)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(qiáng)度則數(shù)倍于后者，由于鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)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(gè)國(guó)家航空航天工業(yè)生產(chǎn)的基本技能，美國(guó)等西方國(guó)家長(zhǎng)期對(duì)中國(guó)實(shí)行技術(shù)封鎖，生怕中國(guó)掌握這項(xiàng)技術(shù)。然而，自2008年以來(lái)，我國(guó)在激光增材鈦合金加工技術(shù)上的突破，徹底讓西方國(guó)家遏制中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展的伎倆落空。

一、用3D打印制造飛機(jī)零件很不容易 美國(guó)嘗試10多年沒(méi)成功

激光成形技術(shù)或激光增材技術(shù)也就是我們常說(shuō)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(gè)鈦合金部件的“神奇魔術(shù)”，3D打印前先通過(guò)計(jì)算機(jī)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(jī)逐層打印。3D打印機(jī)通過(guò)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(lái)，再將各層截面以各種方式粘合起來(lái)從而制造出一個(gè)實(shí)體。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于其幾乎可以造出任何形狀的物品。

據(jù)悉，飛機(jī)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(shì)，對(duì)航空工業(yè)來(lái)說(shuō)是一場(chǎng)革命性的技術(shù)，而跑在這項(xiàng)技術(shù)前列的是中美兩國(guó)。目前，世界上主流戰(zhàn)斗機(jī)和客機(jī)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(jī)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(wú)法加工成精細(xì)的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國(guó)F-22戰(zhàn)機(jī)主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費(fèi)嚴(yán)重，原料95%都會(huì)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(wèn)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(guó)沒(méi)解決的難題中國(guó)先搞定

圖片為我國(guó)展出的超大型某型號(hào)戰(zhàn)斗機(jī)鈦合金飛機(jī)承力件，據(jù)香港《南華早報(bào)》稱(chēng)中國(guó)的殲-20，殲-15戰(zhàn)斗機(jī)也使用這種鈦合金零件。

美國(guó)是最早開(kāi)發(fā)鈦合金3D打印技術(shù)的國(guó)家。1985年，美國(guó)就在國(guó)防部的主導(dǎo)下秘密開(kāi)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(guó)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(jī)試驗(yàn)。然而，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程中鈦合金變形、斷裂的技術(shù)難題無(wú)法解決，美國(guó)始終無(wú)法生產(chǎn)高強(qiáng)度、大尺寸的激光成形鈦合金構(gòu)件。2005年，美國(guó)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(wú)法生產(chǎn)出性能滿(mǎn)足主承力要求的大尺寸復(fù)雜鈦合金構(gòu)件，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)有價(jià)值的市場(chǎng)應(yīng)用而倒閉。美國(guó)的其他國(guó)家實(shí)驗(yàn)室也無(wú)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(guó)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(guó)

我國(guó)的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年美國(guó)解密其研發(fā)計(jì)劃3年才開(kāi)始投入研究。早期基本屬于跟隨美國(guó)的學(xué)習(xí)，在全國(guó)多所大學(xué)和研究所設(shè)立實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行研究。其中，中航激光技術(shù)團(tuán)隊(duì)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(duì)就已經(jīng)開(kāi)始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，在國(guó)家特別是軍方資金的持續(xù)支持下，經(jīng)過(guò)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(zhǎng)控制”等多項(xiàng)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(jí)、性能滿(mǎn)足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品，具有了商業(yè)應(yīng)用價(jià)值。

軍事專(zhuān)家稱(chēng)，目前，中國(guó)殲-31戰(zhàn)機(jī)至少有4個(gè)激光成型“眼鏡式”鈦合金主承力構(gòu)件加強(qiáng)框，而美國(guó)目前并不能生產(chǎn)如此大型號(hào)的鈦合金部件。此外，我國(guó)已經(jīng)具備了使用激光成形超過(guò)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(gè)國(guó)產(chǎn)航空科研項(xiàng)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(jī)工程應(yīng)用的國(guó)家。

外國(guó)媒體稱(chēng)，中國(guó)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(yùn)輸機(jī)、艦載機(jī)、C919大型客機(jī)、殲-20殲擊機(jī)等7型飛機(jī)中裝機(jī)應(yīng)用，解決型號(hào)研制“瓶頸”，使中國(guó)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(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用的國(guó)家。