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歼-20零件生产的关键技术:金属3D打印

发布时间:2023-12-14浏览次数:639

在歼-20的研制过程中,我国除了对锻造设备进行改造升级外,还积极寻求新的技术手段,并取得了世人瞩目的成就,而运用在歼-20制造时的一系列新技术中,金属3D打印技术显得尤为重要,这在各大媒体的宣传中足以看出,那么3D打印技术究竟有何神奇之处呢?

金属3D打印技术即“增材制造”技术,也称“增量制造”“添材制造”“添加式制造”技术,是一种通过材料逐层添加堆积、实现构件无模成形的数字化制造技术。增材制造技术将“材料制备/精确成形”有机融为一体、并将三维复杂形状零件制造离散为简单的二维平面形状的逐层叠加,为设计人员实现奇思妙想,特别是实现高性能或超常性能构件和结构提供了有效的途径,同时该技术更能大幅度缩短生产周期、降低制造成本、节省材料消耗和加工制造费用。这些优势,使得增材制造技术为制造业的变革提供了可能,在重大武器装备的研制、生产和使用维护等方面,都有巨大应用价值和广阔应用前景。

3D打印机原理说的简单一点就是断层扫描的逆过程,断层扫描是把某个东西”切”成无数叠加的片,3D打印就是一片一片的打印,然后叠加到一起,成为一个立体物体,它与传统打印机的区别在于它使用的”墨水”是实实在在的原材料

目前,增材制造技术主要包括“快速原型制造技术”和“高性能金属构件直接制造技术”两大类。其中“快速原型制造技术”主要制造尺寸较小,由树脂、石蜡、纸张等材料组成的原型样件及由陶瓷、金属粉末组成的“非致密”原型样件或模型,这些原型样件原则上不能用于直接装备制造,其主要作用是服务于新产品的快速设计优化、产品预评估、商业宣传和批产前工装模具制造准备,可有效缩短新产品研制周期,降低产品研发和制造成本。现阶段主要应用于艺术、文化创意、教育普及和娱乐等领域。

“高性能金属构件直接制造技术”则采用高功率激光束(或电子束)对粉末或丝材进行逐层熔化/凝固堆积,直接制造出致密金属零件,技术难度大,迄今国外只突破了小型金属构件激光直接制造技术。我国先后攻克了飞机次承力钛合金复杂结构件,大型主承力钛合金结构件的工程化应用技术,且顺利通过在某型飞机上的全部应用试验考核,使我国成为继美国之后世界上第二个掌握飞机次承力钛合金复杂结构件工程化技术并实现在飞机上应用的国家。而实现大型主承力钛合金结构件(尺寸超过5平方米,甚至达8平方米左右)的工程化及装机应用,目前我国是世界唯一。其他国家还未能突破大型主承力构件激光直接制造及应用关键技术,高性能金属构件直接制造已成为增材制造技术的重要发展方向之一。

在国家研发投入的持续支持和重大工程需求拉动下,我国已形成体系结构完整的3D打印技术体系,在个别领域达到国际领先水平,在许多领域达到国际先进水平,具备跨越式快速发展的良好基础。比如:在3D打印的材料科学基础方面有一些比较系统深入的研究,开发了一系列3D打印非金属材料,金属3D打印达到了非常优异的力学性能;研制了一批先进的光固化、激光选区烧结、激光选区熔化、激光沉积成形、熔融沉积、电子束制造等工艺装备;在航空发动机零件制造、飞机功能件和承力件制造、航天复杂结构件制造、汽车和家电行业新产品研发、个性化医疗等方面得到了大量应用;涌现出几十家3D打印设备制造与服务企业,为多行业新产品快速开发与创新设计提供了支撑。特别值得一提的是,我国西北工业大学、航空制造研究所和北京航空航天大学等单位在大型金属零件激光及电子束熔化沉积增材制造工艺、装备及应用技术等研究方面,都作出了国际先进的研究工作。

增材制造的燃气轮机涡轮动叶

西工大于1995年在国内首先提出激光立体成形的技术构思,将增材成形原理与送粉式激光熔覆相结合,形成一种可获得具有锻件力学性能的复杂结构金属零件的快速自由成形技术。

1997年,“金属粉材激光立体成形的熔凝组织与性能研究”获得航空科学基金重点项目资助,是中国金属增材制造第一个正式立项的科研项目。2001年,“多材料任意复合梯度结构材料及其近终成形”项目获得国家863计划资助,其技术于2005年应用于我国研制的首台推重比10航空发动机轴承后机匣制造,为该发动机按时装机试车做出了关键贡献。该零件下部为In961合金铸件,上部为GH4169镍基高温合金激光立体成形件,是以铸件为基材,异种材质增材制造的首个应用案例。西工大首先研制出五轴联动的专用激光立体快速成形机,实现了商业化销售:2006年将LSF-III型装备售与航天306所。2011年7月,依托西工大增材制造技术成立了西安铂力特激光成形技术有限公司,它成立后立即为中国商飞提供了激光增材制造大型钛合金机翼梁(长达5米)。经材料性能、结构性能、零件取样性能测试和大部件破坏性测试所有环节的力学性能测试,完全满足设计要求,包括疲劳性能在内的综合性能优于锻件,强度一致性优于2%,远高于商飞5%的要求。另外,运-20、歼-10B/C、歼-20等多型飞机也采用了该技术生产零、部件。

歼-10C战斗机

北航和航空工业沈阳所,航空工业—飞院及沈飞、成飞、西飞公司等单位“产学研”紧密结合,突破了钛合金、超高强度钢等材料的大型关键构件激光熔化沉积增材制造工艺、装备、标准和应用关键技术,研制出目前世界上最大的飞机钛合金大型结构件激光快速成形工程化成套装备(可加工尺寸达8左右的构件),同时研制生产出30余种钛合金及超高强度钢大型整体关键主承力构件,解决了C919,歼-15,歼-20、“鹘鹰”等多型飞机研制的瓶颈难题,并使我国成为目前世界上唯一实现激光成形钛合金大型整体主承力构件成功装机工程应用的国家,获得了2012年度“国家技术发明一等奖”。

利用3D打印技术生产的零,部件,力学性能与锻件相当甚至超出,尺寸精度高,而体积重量则明显更小。例如,《科技日报》2017年7月11日报道,我国最近试飞成功的C919中型客机,其机身部段的机翼上,下缘条及前后三叉接头,采用传统锻造生产重达1607千克,而采用国产设备进行3D打印则只有136千克。

C919中型客机

这些新技术的使用,都使歼-20战机在减轻空重、增强机体结构、提升战机性能方面,有了大幅提升。

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