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[生产制造] 航空领域金属增材制造的一点探讨5

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发表于 2019-2-11 09:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 谐奇趣 于 2019-2-13 17:55 编辑

聚粉层熔凝光影,精工微锻铸天梁
——航空领域金属增材制造的一点探讨5(中国应用篇上)

前文书聊了金属增材制造的几个技术性问题,特别是艾疯X、Simpleson等网友有着非常精彩的技术点评,有兴趣的朋友可以细读。当然,也有朋友已经开始催促兵器迷谈中国的应用现状了。好,咱们这里就一一道来——
一、关于我兔金属增材制造航空次承力件的工程化
从目前的报道看,中国开始实装航空器次承力件,大概是在十五计划期间。2005年7月。彼时北航王华明团队成功实现了LSF技术制作的TA15钛合金飞机角盒、TC4钛合金飞机座椅支座及腹鳍接头等4种飞机钛合金次承力结构件。

这些结构件先后在3种飞机上的装机应用,材料利用率提高了5倍、周期缩短了2/3、成本降低了1/2以上。为此,在2006年12月,飞机钛合金次承力结构件激光快速成形工艺及应用获得了当年的国防科学技术奖。

需要指出的是,相比之下,美国是从2001年开始,小批量为波音F/A-18E/F提供激光快速成形的钛合金次承力制件。主要替代发动机舱推力拉梁、翼梁、带筋壁板、龙骨梁壁板、机翼转动折叠接头等非主承力结构中的传统锻件和铸件。

有此可见,中国在航空次承力结构上应用快速成形件的速度与美国相比,滞后大约5年左右的时间。
二、关于我兔金属增材制造航空主承力件的工程化
从目前的报道看,中国开始实装航空器主承力件,最早大概是在十一五计划期间。
2009年。官泄说:
“在飞机大型主承力钛合金结构件激光熔化沉积制造工艺、成套设备、过程控制、长期工艺稳定性及构件质量保障等系列核心技术上取得了突破性进展”。
“研究出了大型整体钛合金主承力结构件激光快速成形新工艺,解决了…主承力结构件变形与开裂的技术难题”。
“提出并掌握了激光快速成形飞机大型整体钛合金主承力构件凝固组织晶粒形态及热处理显微组织主动控制新方法”。
“认识激光快速成形飞机钛合金大型主承力结构件内部缺陷机理并突破内部缺陷与治理控制关键技术”
”制造出了单件重量110Kg的多种钛合金关键结构件及大型整体钛合金飞机主承力结构件“”
“参与研制的某型飞机激光成形钛合金支撑框,作为零件唯一制造方案,有力保障了型号研制进度”。

为此,2009年12月,“飞机钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形技术”获得工业和信息化部颁发的国防科技进步奖。

2013年1月18日,国务院向“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”颁发2012年度国家技术发明奖一等奖。

有细心的朋友问了,这2009年的国防科技进步奖和2012年的国家技术发明奖,获奖名称怎么长相差不多啊?

不但长相差不多,2013年的有“复杂”两个字。不过确实容易混淆,其产品指向也被一些人弄混了。咱们往下看:
三、关于“C919机头的主风挡窗框”的澄清
兵器迷在在搜集资料的过程中发现了一个问题:就是有些关于上述2009年和2013年的两个获奖报道,似乎把两个产品案例弄错了,或者说弄反了。因此在这里阐述自己的想法,请大家拍砖。

请先看这个
5-1.png
图1:金属增材制造航空器主承力构件

网上有些报道说,这是北航王华明团队制作C919机头的主风挡窗框。兵器迷觉得不对。原因有三个。
第一:机头主风挡窗框的两个窗之间,不应该有这么宽的隔柱,图中的隔柱太大太宽了。
第二:这个图与飞机机身的整体加强框非常相似
第三:该图的左下角有小图,已经表明了该之间的应用位置,是双发战斗机的机身加强框。

上图比较斜侧,我们可以从其他类似产品的正面视图报道图片上(如下图2),更方便的判断出,这不应该是窗框。
5-2.jpg
图2:某型战斗机金属增材制造的机身加强框(中间的隔柱很宽)

5-3.jpg
图3:这张图看得更明显

实际上,图1是2013年北京科博会现场展示的北航团队产品,此产品在2015年7月16日国防科技工业军民融合发展成果展上也曾出现。个人判断应该是沈飞四代机鹄鹰的机身加强框。北航正是因为研制出30多种钛合金和超高强度钢的大型整体关键主承力构件,并应用于歼15,歼20,鹄鹰等先进战斗机,获得国家科技发明一等奖。

对比一下图4,是F22的机身弹仓的整体钛合金隔框
5-4.jpg
图4:F22机身弹仓整体钛合金隔框

当然,C919机头主风挡框确实也是金属增材制造的,而且同样是北航王华明团队的作品,但图应当是这样的:
5-5.jpg
图5:金属增材制造航空器主承力构件

如上图5,这是2015年,北京航空航天大学焦宗戈介绍采用同轴送粉技术用钛合金材料增材制造的C919机头主风挡的双曲面窗框。从开始制造到零件完成仅用时55天,与国外长达2年的供货周期相比,大大缩短了研制周期,其制造成本仅为国外锻件模具费用的1/10。 注意,虽然图片是2015军民融合成果展上出现的,但首批成品制作完成是2009年的事情。

四、关于“金属增材工艺能否制造飞机承力框”的澄清
现在再来说这个:金属增材工艺制造飞机承力框的真伪。

本图同上图2

网上有很多人认为,这张图中展示的是飞机承力框,但绝不会是金属增材工艺制造的,而是通过传统锻造工艺制造的。网上也有大V对增材机身隔框的报道嗤之以鼻,认为金属增材制造的东西酥松脆虚(听着有点像兵器迷喜欢吃的酥糖啊),完全无法与锻件相比。而起落架这样的“硬核”承力件,不可能让一种不成熟的技术来制造。如果金属增材制造也能做合格的支持框产品,那“国家还巨资建设的德阳二重模锻压机,不是吃饱了撑的吗?”

上述观点最有代表性的 ,是2017年3月28日,侯知健发表的一篇文章:《世界最大压机锻造钛合金机身框歼20寿命获巨大突破》(https://baijiahao.baidu.com/s?id=1563072866205490&wfr=spider&for=pc)。文中更是直指“对于战斗机上的主要承力部件来说,纯粹的3D打印钛合金件至今依旧是不靠谱的玩意——这东西是钛合金粉末堆积后,用激光烧融在一起再固化了,一点点堆出来的。结构疏松夹杂大量气泡和未融化粉末、骤热骤冷引发材料内部严重的组织错位、应力残余都是从原理上无法避免的事情”。

经过前面《工艺篇》的介绍,我们不难看出,”结构疏松夹杂大量气泡和未融化粉末”这样的增材工艺,做民用发泡材料的3D打印闹着玩也许可以,至于做金属航空件,莫说是主承力构件,就是次承力构件也不能用这样的东西啊。更何况,王华明教授的论文中早就说过“本实验室利用激光束能量密度高而集中的特点,发明了适用于难熔金属材料铸锭与零件快速熔化沉积成形、具有无接触污染、无电极污染、合金元素无烧损、无夹杂物、无缩孔及疏松、组织致密、无宏观偏析等突出优点的“激光约束熔铸成型新工艺”,所以侯文这种说法有些夸张了。当然“内部严重的组织错位、应力残余”这样的问题,确实是大型金属增材制造的经典问题。因此侯知健这样怀疑,是有一定道理的。

其实兵器迷在《性能篇》已经阐述了自己的观点:即使金属增材制造的机械性能不弱于锻件,但疲劳性能是否完全合格,尚缺乏足够验证,冒然用在机身隔框这类不可替换的主承力位置上,是有所不妥的。于是网上对此的争论两极分化,莫衷一是。

说到底,本来这是军迷的技术观点之争,很正常的。不过侯文又发出了这样的讥讽:“早前号称3D打印的战斗机大框,这东西到底有哪个战斗机敢真用,爱信的人去信好了,毕竟智商又不是生活必需品,亩产万斤万寿无疆形势大好的年代不一样活过来了。”

这样冷语伤人的评论,就太过情绪化了。本来大家都是军工爱好者,无论怎么争论不过也就是同道中人一起乐呵乐呵。干嘛非要因为观点不一致,就瞧不起人或者上纲上线呢?

无论怎样,兵器迷是技术分析派,就去研究了一下这个争论。首先注意到的,是上图2的左下角有个图片出处,是laser.ofweek.com。这是激光网,是一个报道激光领域技术发展状况的行业垂直网站,如果图2是锻造件与激光无关,是不应该出现在激光网的。

不过,如今的媒体也有很多为了流量不辨真伪的以讹传讹,自嗨自乐的。所以还应当找更加坚实的证据才行。

终于——

找到了本主的原话。也就是2012年北航王华明教授就在中科院“科学与技术前沿论坛”上所作的《飞机钛合金激光快速成型的应用》讲座。(讲座视频URL:bbs.tianya.cn/post-worldlook-614357-1.shtml)。大家有兴趣可以细看一下。

在片中,王华明确实明确表示,美军F22机身隔框是锻件钛合金框,5.53平米,成本非常高昂,如下截图6
5-6.png
图6:王华明教授介绍F22机身隔框的锻件工艺(注意图左上角文字)

之后,王华明介绍了美国试图采用金属增材制造工艺替代锻件工艺,但因为性能上的三大缺陷失败了(类似我们《性能篇》谈到的内容)。

最后,王华明介绍了北航克服金属增材制造缺陷,研制成功增材制造的超过5.02平米的整体加强框,如下图7.
5-7.jpg
图7:王华明介绍北航金属增材工艺(注意左上角文字XX飞机钛合金整体加强框5.02平米)

这样一来,能不能说铁证如山?

如果面对这样的证据,我们仍然要怀疑,那就只能怀疑院士本人公然造假了。所以,中国用金属增材工艺制造机身隔框承力件,已经是既成事实。即便兵器迷认为在全寿命疲劳性能未得到肯定之前,这样应用有一定的风险,但面对这样的证据,不知你们信不信,反正我是信了。

前面谈了很多北航团队的金属增材产品,那么西工大又有什么过人之处呢?

预知后事如何,且听下回分解。

注:本文采用的资料全部来源与互联网公开报道或公开发行的印刷资料,如:
《一种300M超高强度钢飞机起落架的制造方法》
《A100钢激光成形零件在飞机起落架制造领域的工艺研究》
《2017中国增材制造产业发展报告》
《金属增材制造技术在航空发动机领域的应用》
《钛合金增材制造技术研究现状及展望》
《大型钛合金结构激光快速成形技术研究进展》
《激光立体成形高性能金属零件研究进展》
《增材制造技术之电子束选区熔化》等数十篇论文以及,
兵器知识
兵工科技
中国航空报社
西安铂力特官网
恒辉3D打印博客
激光网
超大网友laser11的文章
讲武堂公众号
两机动力控制公众号
2013年北京科博会和2015年国防科技工业军民融合发展成果展相关报道
本文引用的所有图片权利归原作者所有

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最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 11:36 | 显示全部楼层
兵器迷大大的文章先顶
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 13:07 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

这篇干货最多
所有可见的质疑增材工艺的ID,都没有搞清楚SLM与LENS的区别,包括有些从业者,一面对高性能焊接深信不疑,转脸开始质疑缺陷小得多的高性能增材制造……
说白了,这是隔行如隔山,多数所谓的专家,搞机械的不懂热处理搞热处理的不懂装备应用才是正常。

有关增材工艺是否适合主承载结构,大家都忽略了一个隐藏在背后的巨大技术基础:
我国可靠性工程专业的奠基人和开拓者-杨为民

全球顶尖的可靠性工程策源地-北航可靠性与系统工程学院
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
发表于 2019-2-11 13:31 超大游击队员 | 显示全部楼层
我能说,,看不懂吗…
最具影响力军事论坛-超级大本营军事论坛欢迎你!超然物外,有容乃大。
 楼主| 发表于 2019-2-11 15:29 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

本帖最后由 兵器迷的天空 于 2019-2-11 15:30 编辑
艾疯X 发表于 2019-2-11 13:07
这篇干货最多
所有可见的质疑增材工艺的ID,都没有搞清楚SLM与LENS的区别,包括有些从业者,一面对 ...


请教您一个问题:

虽然我知道疲劳测试有各种模拟等效测试方法和工具、设备(原来金工实习后来电子厂实习都接触过),对于易更换件,这样的测试做完一般就实装了。而对于飞机主承力框,除非把机体拆了,否则根本就没法换。这样的件只做疲劳模拟测试还是不放心——在过载器上加10000次9G,和在空中飞出10000个9G不是一码事。这也是为什么西方一直不敢大规模采用的原因之一。所以老外一般方法是先做长期地面试验或者无人机试验成功后,才敢用在有人机上。

问题是:我们国家就敢为天下先,就是用在主力有人机型上了,这应该说明可靠性有了绝对把握。这也是为什么我虽然和侯知健都有疑问,而一旦有了铁证我必须承认现实,哪怕是用这样的现实打自己理论的嘴巴,也必须承认自己是错的。可就是好奇,这是怎么做到的呢?

对了,您的第二个链接点不过去啊
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发表于 2019-2-11 15:43 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

兵器迷的天空 发表于 2019-2-11 15:29
请教您一个问题:

虽然我知道疲劳测试有各种模拟等效测试方法和工具、设备(原来金工实习后来电子厂 ...


材料学、可靠性工程,归根结底都是复杂的应用数学问题。
杨为民老师最牛的地方,是基于大量原始数据,建立了行之有效的计算模型与仿真方式,可以高度可信地拟合实际情况,结合先进设计/再制造方法,花了不多的钱解决了大问题。
王老师、孙聪这批人,对特定材料的性能与疲劳特征,经过很长期的摸索积累,有了深刻的了解,结合既定的“套路”,模拟真实情况的试用结果,与设计段的计算与仿真预期高度重合甚至更优,加上合适的冗余设计,最终认定为可定型、可实战。

另外,欧美发达国家并不是质疑“增材主承载件寿命是否有问题”,而是质疑“放着本就有足够冗余的传统工艺线路外加割毛子的羊毛就够了,为啥非要花十来年和很多钱去搞性能没有决定性突破的增材”,本质上还是先发国家船大难掉头。

另14系官网可能挂了,等等吧。
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发表于 2019-2-11 18:05 | 显示全部楼层
本帖最后由 普通普通 于 2019-2-11 18:36 编辑

激光熔融的温度比炼钢炉还高,而且那些粉丝状的材料都是优质,还有有各种合金的独特配方,还有熔融温度气体等控制的高度保密技术,打个不妥当比喻,激光熔融相当于小炉炼钢,一炉钢也许只有一公斤,比180吨1炉的大炉钢冶炼质量应该好很多倍,又像锻压超级钢,其型材的质量和寿命肯定比锻压出来超级钢还高,否则,以我国体制内人员这点胆量谁敢往战斗机上用??特别负责官员都拉家带口等立功升职,没有大量检测数据决策者更不敢批准使用。
西方应该是船大难掉头的原因,它们的金属质量等级本来就比我们高,高等级金属材料占比也比我国大得多,有其他的路可以走。当然,也不排除保密误导别国不要搞的原因。当年美国为误导我国不要搞反导技术,不要搞隐身战机,也曾说过反导导弹和隐身战机很多坏话,而且说得巧妙,让一般人根本不信有啥阴谋。我国搞这个激光增材,最起码在国内比较,真的是弯道超车,一条睿智道路。
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发表于 2019-2-11 19:43 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

这个厉害哦
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发表于 2019-2-12 00:40 | 显示全部楼层
叒再次拜读!
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发表于 2019-2-13 22:13 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

兵器迷的天空 发表于 2019-2-11 15:29
请教您一个问题:

虽然我知道疲劳测试有各种模拟等效测试方法和工具、设备(原来金工实习后来电子厂 ...

样机不需要很高的寿命,而3D打印确更适合生产样机。
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发表于 2019-2-13 22:54 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

给楼主补充点资料
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发表于 2019-2-13 23:29 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

楼主贴的鹘鹰机身加强框已经是“过去式”啦,与垂尾连接的位置还有耳片,新的是垂尾梁和飞机加强框一体成型的
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发表于 2019-2-15 22:13 | 显示全部楼层
牛叉牛叉,

将来会不会除了发动机和电子、轴承、弹簧等,其它的金属件都一体成型打印出来?
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 楼主| 发表于 2019-2-16 09:16 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨5

鹰击-长空 发表于 2019-2-13 23:29
楼主贴的鹘鹰机身加强框已经是“过去式”啦,与垂尾连接的位置还有耳片,新的是垂尾梁和飞机加强框一体成型 ...

这个,要顶啊!
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