中國鈦合金超越歐美：我們能3D列印一架鈦金的殲20！

新型輕質材料對國防高新技術武器裝備有重要作用，鈦合金憑藉強度大、抗腐蝕、無磁性、高韌性、可焊接等突出特性，已被世界多個軍事強國列為具有戰略意義的新型結構金屬材料。

在使用鈦合金材料領域，世界各主要強國爭先奪後。以航空應用為例，美國1959年秘密研製的的飛行速度高達三倍音速的SR-71「黑鳥」戰略偵察機，堪稱「全鈦飛機」，鈦合金使用量占機體重量的93%，直到目前也是用鈦最多的飛機。

波音公司和空客公司研製的大型客機，在B747、A300時代的鈦合金用量為4%，到了波音787、A-380飛機時代，已上升近10％。第三代戰鬥機鈦合金結構件用量由F-4鬼怪式戰鬥機的約3％增加到了F/A18EF和蘇-27的15％以上，而第四代殲擊機F-22的鈦合金結構件用量已佔機身結構總重量的41％。事實上，第四代以後的戰鬥機基本上是一架鈦合金+複合材料的飛機。

圖片：殲-31戰機4個激光成型「眼鏡式」鈦合金主承力構件加強框。

從鈦合金在造船業中的使用規模和技術來看，俄羅斯遠遠領先於世界上其他所有國家。從20世紀60年代開始，蘇聯/俄羅斯先後生產了一系列鈦制核潛艇群。採用鈦合金材料建造耐壓殼體的潛艇，下潛極限深度甚至超過900米，破壞深度達1300米，迄今仍為世界潛艇之最，在颱風級戰略核潛艇上，鈦合金的用量更是高達9000噸。中國國產深潛器技術一開始也是學習俄羅斯技術，蛟龍號深潛器的2.6米耐壓殼即為俄羅斯製造，中國在2015年根據俄羅斯技術基礎自行研製出國產深潛器耐壓殼。

大型整體鈦合金結構件用量的高低已成為衡量國防裝備技術先進性的重要標誌之一。美製M777式155mm榴彈炮大量使用鈦合金材料，在3.7噸重的火炮中使用了近1噸鈦合金材 料，佔全炮重量的27%。美國甚至研究過艾布拉姆斯M1A2坦克的鈦合金炮塔，可以減重4噸。

西北工業大學製造的運20大型運輸機鈦合金承力梁，長度達到5米。

對陸軍武器重量有著變態般要求的中國軍隊，早就有鈦合金應用於武器的經驗，中國武器玩鈦合金的歷史並不比歐美晚多少，早在上世紀八十年代，中國就使用鈦合金，研製過60/82/100毫米迫擊炮，配備於空降兵部隊，其中使用TA7鈦合金材料的80式100毫米迫擊炮，全炮重量僅為52公斤，可以分解以後，由三名士兵背起來就走，極大增強了空降步兵團的火力。中國還在2002年研製了02式14.5毫米高射機槍，整槍重量只有73公斤，大量採用鋁合金和鈦合金材料，是世界上第一種鈦機槍，而且也是迄今為止全世界唯一的鈦合金大口徑機槍。你知道這種大口徑高射機槍輕到什麼程度嗎，需要射手坐在機槍後面當配重才能射擊，否則一炮就翻車了。

近幾年，中國鈦合金已由完全仿製過渡到創新與仿製相結合的新階段，在高溫鈦合金、高強鈦合金、 耐蝕鈦合金、阻燃鈦合金、低溫鈦合金的開發上取得重大突破。

飛機上大型機構件的傳統生產主要採用「鍛造+機加工」的方法，該方法工序繁多、工藝複雜、材料利用率低、機械加工量大、數控加工效率低、製造成本高、生產周期長，採用激光製造技術直接製造大型鈦合金結構件顯示了巨大的優勢。

對於戰鬥機的結構製造來說，機身的大框是最重要、最耗時、也是最昂貴的部件，同時還是限制戰鬥機產能和性能壽命的關鍵環節。特別是那些不惜成本追求性能的主力制空戰鬥機，往往會採用難以加工的鈦合金作為材料，而這又進一步引發了成本的增高和產能有限的矛盾。

大型鈦合金主承力結構件低成本、短周期成形製造技術，是制約我國航空裝備研製與生產的技術「瓶頸」之一。

國內在2013年之前，能投入使用的僅有一台3萬噸的模鍛壓機。鍛造能力為鋁合金件最大投影面積不超過2平米，鈦合金件投影面積不能超過1.2平米。這個水平完全不足以完成殲20這樣的雙發重型戰鬥機的鈦合金大框一體化鍛造的。

在這種限制下，殲20的鈦合金大框，只能在設計上先分成幾個鍛件，分別鍛造好以後，再用電子束焊接工藝連接成一個整體。這個工藝源於中國引進蘇27時獲得的全套技術體系，同樣是當年蘇聯大型鈦合金件鍛造能力遠不如美國時搞出來的變通辦法。

F-22是美國戰鬥機中使用鈦合金與複合材料最多的機型。其中鈦合金約39％、熱定型複合材料約25％、鋁合金約16％、鋼約6％、其它約15％。

在2013年4月10日，中國二重集團研發的世界最大的8萬噸模鍛壓機成功的實現了試生產。中國在大型航空航天鍛造件的製造能力上有了本質性的突破，達到世界最頂級水平。而對於殲20來說，這意味著它能夠採用一次完整成型的鈦合金大框，其壽命將獲得巨大的突破。

傳統的鈦合金零件製造主要依靠鑄造和鍛造。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰機的主要承力部件便是大型鍛造鈦合金框。4個鍛造的鈦合金整體式承力框,其中最大的重2770kg，但是零件製造浪費嚴重，原料的95%都會被作為廢料切掉。而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬噸大型水壓機只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術都無法製造複雜的鈦合金構件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。

激光快速成形技術的獨特優點，為克服大型鈦合金結構件上述製造技術缺點提供了一條新途徑。美國等西方工業及軍事強國對其十分重視，美國國防部自1995年來先後實施一系列專門研究計劃，對飛機鈦合金結構件快速成形技術予了重點支持，研究與應用進展迅速。

2013年，「飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術」獲得了國家技術發明獎一等獎。這一技術在我國已經投入工業化製造，使我國成為繼美國之後、世界上第二個掌握飛機鈦合金結構件激光快速成形及技術的國家。

在北京航空大學王華明教授當選中國工程院院士候選人的公示中，我們看到了中國鈦合金技術在軍事武器領域裡的具體成就：激光增材製造工藝，已在殲-15、殲-31、運-20、殲-11B、C919等7種飛機，東風XX等3種導彈，遙感24等2種衛星，渦扇13等3種航空發動機和1型燃氣輪機等重點型號中獲得工程應用並發揮關鍵作用。

2013年國家啟動科技重大專項課題「飛機鈦合金尾段製造關鍵成套裝備研製及示範應用」。在中航集團先進戰機的設計和研發生產中，鈦合金成形技術已經得到了廣泛運用。兩型第五代戰鬥機殲-20和殲-31都採用鈦合金的主體結構，降低了飛機的結構重量，提高了戰機的推重比。

2013年第十六屆中國北京國際科技產業博覽會上，中航重機控股子公司中航激光展示了獲得2012年度「國家技術發明獎一等獎」的飛機鈦合金大型整體關鍵構件激光成形技術。

我國的鈦合金激光成形技術起步較晚，直到1995年美國解密其研發計劃3年才開始投入研究。早期基本屬於跟隨美國的學習，迄今國內開展過鈦合金激光快速成形技術研究的單位有北京有色金屬研究總院、西北工業大學和北京航空航天大學等。根據公開的材料表明，我國已經能夠生產優於美國的激光成形鈦合金構件，具備了使用激光成形超過12平方米的複雜鈦合金構件的技術和能力，已經用激光直接製造30多種鈦合金燈大型複雜關鍵金屬零件。依託激光鈦合金成形造價低、速度快的特點，中航曾在一年之內連續組裝出殲-20、殲-15、殲-16、殲-31、運20等多型戰鬥機並且進行試飛。成為迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光直接製造技術並實現工程應用的國家。

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