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惊呆:中国钛合金超越欧美,已能3D打印一架钛金的歼20

发布时间:2017-09-05 17:05:30 点击率:498
       新型轻质材料对国防高新技术武器装备有重要作用,钛合金凭借强度大、抗腐蚀、无磁性、高韧性、可焊接等突出特性,已被世界多个军事强国列为具有战略意义的新型结构金属材料。

       在使用钛合金材料领域,世界各主要强国争先夺后。以航空应用为例,美国1959年秘密研制的的飞行速度高达三倍音速的SR-71“黑鸟”战略侦察机,堪称“全钛飞机”,钛合金使用量占机体重量的93%,直到目前也是用钛最多的飞机。



       波音企业和空客企业研制的大型客机,在B747、A300时代的钛合金用量为4%,到了波音787、A-380飞机时代,已上升近10%。第三代战斗机钛合金结构件用量由F-4鬼怪式战斗机的约3%增加到了F/A18EF和苏-27的15%以上,而第四代歼击机F-22的钛合金结构件用量已占机身结构总重量的41%。事实上,第四代以后的战斗机基本上是一架钛合金+复合材料的飞机。



图片:歼-31战机4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。

       从钛合金在造船业中的使用规模和技术来看,俄罗斯远远领先于世界上其他所有国家。从20世纪60年代开始,苏联/俄罗斯先后生产了一系列钛制核潜艇群。采用钛合金材料建造耐压壳体的潜艇,下潜极限深度甚至超过900米,破坏深度达1300米,迄今仍为世界潜艇之最,在台风级战略核潜艇上,钛合金的用量更是高达9000吨。中国国产深潜器技术一开始也是学习俄罗斯技术,蛟龙号深潜器的2.6米耐压壳即为俄罗斯制造,中国在2015年根据俄罗斯技术基础自行研制出国产深潜器耐压壳。

       大型整体钛合金结构件用量的高低已成为衡量国防装备技术先进性的重要标志之一。美制M777式155mm榴弹炮大量使用钛合金材料,在3.7吨重的火炮中使用了近1吨钛合金材料,占全炮重量的27%。美国甚至研究过艾布拉姆斯M1A2坦克的钛合金炮塔,可以减重4吨。



西北工业大学制造的运20大型运输机钛合金承力梁,长度达到5米。



       对陆军武器重量有着变态般要求的中国军队,早就有钛合金应用于武器的经验,中国武器玩钛合金的历史并不比欧美晚多少,早在上世纪八十年代,中国就使用钛合金,研制过60/82/100毫米迫击炮,配备于空降兵部队,其中使用TA7钛合金材料的80式100毫米迫击炮,全炮重量仅为52公斤,可以分解以后,由三名士兵背起来就走,极大增强了空降步兵团的火力。中国还在2002年研制了02式14.5毫米高射机枪,整枪重量只有73公斤,大量采用铝合金和钛合金材料,是世界上第一种钛机枪,而且也是迄今为止全世界唯一的钛合金大口径机枪。你知道这种大口径高射机枪轻到什么程度吗,需要射手坐在机枪后面当配重才能射击,否则一炮就翻车了。



       近几年,中国钛合金已由完全仿制过渡到创新与仿制相结合的新阶段,在高温钛合金、高强钛合金、耐蚀钛合金、阻燃钛合金、低温钛合金的开发上取得重大突破。

       飞机上大型机构件的传统生产主要采用“锻造+机加工”的方法,该方法工序繁多、工艺复杂、材料利用率低、机械加工量大、数控加工效率低、制造成本高、生产周期长,采用激光制造技术直接制造大型钛合金结构件显示了巨大的优势。

       对于战斗机的结构制造来说,机身的大框是最重要、最耗时、也是最昂贵的部件,同时还是限制战斗机产能和性能寿命的关键环节。特别是那些不惜成本追求性能的主力制空战斗机,往往会采用难以加工的钛合金作为材料,而这又进一步引发了成本的增高和产能有限的矛盾。

       大型钛合金主承力结构件低成本、短周期成形制造技术,是制约我国航空装备研制与生产的技术“瓶颈”之一。

       国内在2013年之前,能投入使用的仅有一台3万吨的模锻压机。锻造能力为铝合金件最大投影面积不超过2平米,钛合金件投影面积不能超过1.2平米。这个水平完全不足以完成歼20这样的双发重型战斗机的钛合金大框一体化锻造的。



       在这种限制下,歼20的钛合金大框,只能在设计上先分成几个锻件,分别锻造好以后,再用电子束焊接工艺连接成一个整体。这个工艺源于中国引进苏27时获得的全套技术体系,同样是当年苏联大型钛合金件锻造能力远不如美国时搞出来的变通办法。

       F-22是美国战斗机中使用钛合金与复合材料最多的机型。其中钛合金约39%、热定型复合材料约25%、铝合金约16%、钢约6%、其它约15%。

       在2013年4月10日,中国二重集团研发的世界最大的8万吨模锻压机成功的实现了试生产。中国在大型航空航天锻造件的制造能力上有了本质性的突破,达到世界最顶级水平。而对于歼20来说,这意味着它能够采用一次完整成型的钛合金大框,其寿命将获得巨大的突破。



       传统的钛合金零件制造主要依靠铸造和锻造。锻造切削虽然精度较好,美国F-22战机的主要承力部件便是大型锻造钛合金框。4个锻造的钛合金整体式承力框,其中最大的重2770kg,但是零件制造浪费严重,原料的95%都会被作为废料切掉。而且锻造钛合金的尺寸受到严格的限制:3万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件,即使世界上最大的8万吨水压机,锻造的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件,而焊接则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。



       激光快速成形技术的独特优点,为克服大型钛合金结构件上述制造技术缺点提供了一条新途径。美国等西方工业及军事强国对其十分重视,美国国防部自1995年来先后实施一系列专门研究计划,对飞机钛合金结构件快速成形技术予了重点支撑,研究与应用进展迅速。

       2013年,“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获得了国家技术发明奖一等奖。这一技术在我国已经投入工业化制造,使我国成为继美国之后、世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家。



       在北京航空大学王华明教授当选中国工程院院士候选人的公示中,大家看到了中国钛合金技术在军事武器领域里的具体成就:激光增材制造工艺,已在歼-15、歼-31、运-20、歼-11B、C919等7种飞机,东风XX等3种导弹,遥感24等2种卫星,涡扇13等3种航空发动机和1型燃气轮机等重点型号中获得工程应用并发挥关键作用。



       2013年国家启动科技重大专项课题“飞机钛合金尾段制造关键成套装备研制及示范应用”。在中航集团先进战机的设计和研发生产中,钛合金成形技术已经得到了广泛运用。两型第五代战斗机歼-20和歼-31都采用钛合金的主体结构,降低了飞机的结构重量,提高了战机的推重比。



       2013年第十六届中国北京国际科技产业博览会上,中航重机控股子企业中航激光展示了获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术。



       我国的钛合金激光成形技术起步较晚,直到1995年美国解密其研发计划3年才开始投入研究。早期基本属于跟随美国的学习,迄今国内开展过钛合金激光快速成形技术研究的单位有北京有色金属研究总院、西北工业大学和北京航空航天大学等。根据公开的材料表明,我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件,具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,已经用激光直接制造30多种钛合金灯大型复杂关键金属零件。依托激光钛合金成形造价低、速度快的特点,中航曾在一年之内连续组装出歼-20、歼-15、歼-16、歼-31、运20等多型战斗机并且进行试飞。成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并实现工程应用的国家。

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