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    國產大飛機C919首飛試驗成功,院士開講背后的3D打印

    放大字體  縮小字體 發布日期:2022-05-18  來源:南極熊3D打印  瀏覽次數:2971

    2022514日,編號為B-001JC919大飛機首次飛行試驗圓滿完成,這是中國商飛公司即將交付的首架C919。消息傳來,迅速登頂各大熱搜榜單。

    這是近期我國在航空航天領域取得的系列成果之一。神舟十三號載人飛船返回地球,“天舟四號”貨運飛船成功發射,多款戰機換裝“中國心”,種種成績讓“敢上九天攬月”不斷成為現實,這離不開無數科研工作者的辛勤努力。

    此前,來自中國科學院和中國工程的院士在公開講座中親身講述科研歷程,讓公眾了解到這些成果背后的攻堅過程。

    國產大飛機背后的金屬3D打印

    C919是中國擁有完全知識產權的國產大飛機,中國團隊完成了100多項關鍵技術攻關。以金屬3D打印技術為例,3D打印鈦合金零件在C919中首次得到成功應用,有效降低了飛機的結構重量,延長使用壽命。

    在中國科協“科創中國”與抖音聯合推出的視頻科普欄目《院士開講》中,中國工程院院士、材料制造專家王華明講到了金屬3D打印在國產飛機中的應用。這項技術也叫增材制造,其原理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。

    “金屬3D打印像是揉面,把粉和絲這樣的原料,通過熔化這個過程,完成合金化,完成凝固,完成材料的制備,材料制備出來就已經是做成的復雜零件。”王華明形象地總結道。

    2000年,王華明院士團隊進入金屬3D打印領域。當時,美國鑄造業龍頭企業Aeromet已經開始嘗試用增材制造的方法,制造航空器的大型關鍵構件,已經進入工程驗證階段,但始終未能解決疲勞性能問題,最終認定這種方法無法實現,在2005年放棄了。

    “那個時候他們最終得到結論,這條路走不通,用于做關鍵構件是不可能的。當然我們繼續堅持,最后把它做成了。”王華明院士在《院士開講》中說。2005年,王華明院士團隊研制出了中國第一個安裝到飛機上的3D打印零件。

    2009年,王華明團隊利用3D打印技術,耗時55天做出了C919機頭鈦合金主風擋整體窗框。這種構件尺寸大、形狀復雜,國內飛機制造廠的傳統方法無法制作。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。而王華明院士所需成本不足歐洲鍛造模具費的十分之一。

    鈦合金技術:從落后12年到世界前沿

    除了民用大飛機,軍用領域也有新進展。近日,多款戰機換裝國產太行發動機的新聞受到廣泛關注。“太行”發動機也叫渦扇10系列發動機,其鈦合金含量達到25%,與國外先進發動機鈦用量相當。

    有人評價說,航空發動機是飛機的“心臟”,是“要不來、也求不來的”,必須要靠自己。這背后是眾多科研工作者長達66年的努力,曹春曉院士就是其中有代表性的一位。

    國產大飛機C919首飛試驗成功,院士開講背后的3D打印

    88歲的曹春曉一直記得他第一次聽到“鈦合金”三個字時的場景。

    那是1956年,他剛從上海交通大學畢業,堅持想要從事國防科研,如愿被分配到北京航空材料研究所。報完到,研究所領導就安排曹春曉加入首個航空鈦合金實驗室的籌建。他到圖書館查資料、四處打聽,才逐漸了解到,鈦合金是一種新型金屬,可以顯著減輕結構的重量,提高使用性能,很適合用作航空材料。

    “美國最早是在1954年使用鈦合金的,而我們國家晚了12年。”對于曾經的落后,曹春曉在《院士開講》中強調了兩次。六十年代,他成功研制出“超高溫鍛造”和“相變溫度壓延”的創新性工藝,并和同事提出TC4鈦合金葉片和盤研制作為我國航空用鈦的突破口。1966年,中國誕生了第一臺裝上鈦合金葉片的航空發動機,填補了空白。

    八十年代,曹春曉創造性地提出了一種高低溫交替的鈦合金鍛造工藝,應用在新型國產殲擊機中,節約了數百萬美元外匯。憑借這項具有國際先進水平的新工藝,曹春曉在1987年獲得了國家科技進步獎一等獎。

    國產殲擊機上的鈦合金用量不斷增長,從殲-82%提高到殲-3125%;在需要更強抗腐蝕性能的艦載機上,殲15鈦合金利用量達到20%,比美國F-18E/F艦載機更高。而在至關重要的航空發動機方面,太行發動機鈦合金含量達到25%。

    敢上九天攬月,同時播撒“種子”

    除了航空領域的進展,航天工程的一系列成果也屢屢受到關注,比如神舟十三號載人飛船返回地球、“天舟四號”貨運飛船成功發射、“祝融號”發現火星水活動痕跡、學者發現月壤可催化生產氧氣和燃料。“敢上九天攬月”,航空航天領域的進展展示了中國科技的“高度”。

    中科院院士、火山地質與第四紀地質學家劉嘉麒在視頻中提到,其實很多航天領域的工程都少不了地質學家的緊密配合,比如“祝融號”火星車應該落在哪里取樣,月壤成分如何。目前,劉嘉麒院士所在的地址與地球空間研究所就承擔了月壤研究工作。

    和劉嘉麒院士一樣,越來越多的科研工作者開始與大眾直接對話,通過科普講座的方式,讓網友了解我國在航空航天等領域的進展。值得注意的是院士群體,他們是頂尖科技的創造者,深知科學傳播的重要性。如今,他們進校園,參加論壇,或是在視頻平臺開設科普講座,讓大眾了解到國產科技的進程。

    “用短視頻做科學傳播和普及,對用戶來說非常方便,知識和內容也很生動真實,規模和效果都更好,這也是科技創新的一種形式。”劉嘉麒院士在一支視頻中這樣表示。一期科普講座視頻能有上百萬人觀看,他對此很驚訝。

    劉嘉麒、曹春曉、王華明等10位兩院院士參加了由中國科協“科創中國”與抖音聯合推出的科普欄目《院士開講》。蔡榮根和潘永信等院士則在《院士開課啦》中科普火星、引力波、地磁學等領域知識。

    在視頻講座的最后,88歲高齡的曹春曉院士提及自己的兩個夢想。一個是坐上中國自主研發的國產大飛機,這將很快成為現實。另一個是希望研制出質量更好的航空發動機,這條路還很長,需要更多年輕人參與到科研中來,而科普便是播撒“種子”的過程。

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