请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

超级大本营军事论坛

 找回密码
 加入超大军事

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 2268|回复: 11
收起左侧

[生产制造] 航空领域金属增材制造的一点探讨6

[复制链接]
发表于 2019-2-11 16:14 | 显示全部楼层 |阅读模式

更多精彩专业军事内容,期待你的加入!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?加入超大军事

x
本帖最后由 谐奇趣 于 2019-2-13 17:53 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6(中国应用篇下)

上文谈过了北航王华明团队的技术特点和产品特点,那么在航空领域应用金属增材制造上的另外一支雄兵,西北工业大学黄卫东团队,又有怎样的突出贡献呢?

一、关于西工大LSF技术的的澄清
有网友评论说,北航王华明团队擅长LSF技术,而西工大擅长SLM技术,因此西工大在LSF技术上并无建树。似乎所有大型的钛合金主承力构件都是北航的作品。

兵器迷觉着,这个说法有些道理,也有些偏颇。

固然,北航团队的王华明教授,领衔大型金属构件增材制造国家工程实验室主任、国防科技工业激光增材制造技术研究应用中心主任、航空科学与技术国家实验室(筹)航空材料与结构首席科学家,确实在高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术上独树一帜。而西北工业大学的黄卫东教授,领衔凝固技术国家重点实验室,国家科技部3D打印专家组首席专家,国家增材制造创新中心副主任,也是我国LSF技术最出色的研发团队带头人。早在2006年,西工大就已经将自主研发的LSF-III设备销售给航天306所进行增材制造,并陆续提供LSF系列设备给中国航天科技集团、西安航空发动机公司、成都飞机公司等多家国内外企业,如下图1。
6-1.jpg
图1:西工大提供的大型LSF设备(高6m)

西工大的黄卫东教授在2011年创立了西安铂力特增材技术股份有限公司,下图为铂力特公司提供的LSF成形设备,成形尺寸可达1500mmX1000mmX1000m。
6-2.png
图2:西安铂力特:BLT-C1000 LSF成形工艺设备

其实,也难怪网友对西工大的LSF有点无感,这是因为西安铂力特激光成形技术有限公司确实最为人称道的,就是SLM技术为基础的针对航空航天极端复杂的精密构件加工制造。该公司里利用SLM技术解决了随形内流道、复杂薄壁、镂空减重、复杂内腔、多部件集成等复杂结构问题,每年可提供复杂精密结构件8000余件。

此外,铂力特的SLM激光修复再制造技术也是业内领先的。就是用激光熔覆技术,将金属、陶瓷等材料的粉末、丝或带熔化,使其结合在受损基材上以达到改善表面性能的表面处理方法。铂力特修复后的零件性能可以达到新品的80%,特别的,钛合金零件修复后可以基本达到新品标准。
2014年珠海航展,还展示了其SLM激光修复再制造的涡扇发动机叶片。
6-3.jpg
图3:激光增材制造修复叶片(国外案例)

至于大型LSF制件,西工大也并未让北航专美。西工大最为有名的同类产品,莫过于西安铂力特激光成形技术有限公司试制的钛合金中央翼缘条,最大尺寸3070mm,最大重量196Kg的左上缘条,仅用25天即完成交付。该件后在2013年北京科博会上做了展出,如下图4
6-4.jpg
图4西安铂力特总工程师与C919上缘条激光成形工艺验证件合影(表面未加工)

上面的图是竖着看的,咱再躺着看一次:
6-5.png
图5:C919上缘条激光成形工艺验证件(表面加工后)

也许是上面这个中央翼上缘条,与北航团队2010年试制的C919达中央翼根肋名称有些相似混淆了。从而有童鞋认为大型LSF制件都是北航的产品,也未可知?个人理解,北航的“中央翼根肋”是机翼上与翼展方向垂直安装的部件,而西工大的“中央翼缘条”是与翼展方向平行安装的部件,是不同的两个东西,请大家评判。
二、关于金属增材制造飞机起落架的澄清
2013年3月两会期间,时任全国政协委员、中航工业副总工程师、歼-15总设计师孙聪,于3月2日在京接受新华社专访时的讲话。他当时透露,“钛合金和M100钢的3D打印技术(增材制造技术)已广泛用于新机设计试制过程。其中,于2012年10月至11月首飞成功的机型,广泛使用了3D打印技术制造钛合金主承力部分,包括整个前起落架”。

于是有人联想到,这就是歼15。消息因此不胫而走,广为流传。

这也是网上争论较多的一个问题。虽然官泄已经说了,歼15起落架是增材制造的,但与上述机身隔框有类似的情形,对增材工艺怀疑的声依然此起彼伏。而且官泄之后这几年都没有看到增材制造起落架的照片。因此很多网友说,所谓增材制造起落架,估计是Fake News。而歼15起落架,应当是德阳二重大型模锻压机的正宗出品。

直到这个系列帖子出来的这几天,还有网友留言认为,起落架是不能用增材制造的。

兵器迷觉得这个问题也很有趣,值得辨析一番真伪。

当然要先说清楚,一个飞机的起落架,包括机轮、刹车或自动刹车装置、承力支柱、减震器、收放机构、前轮减摆器和转弯操纵机构等。而我们讨论的金属增材制造起落架,指的是起落架承力支柱的两个最大的构件:即起落架外筒和活塞杆连接这两个关键承力部分,其中投影面积最大的就是起落架外筒。

现在,我们从两方面来看这个消息。

第一:歼15起落架是不是德阳二重的锻件产品?

兵器迷认为不是。

首先,广大军迷都知道,歼15真正首飞的日期,可不是孙聪说的“2012年10月至11月”,而是2009年8月31日,当然这只是陆基首飞。而孙聪谈话中所谓的首飞日期,实际上是歼15的首次触舰起飞,细节可见2012年11月5日国防部网站发布的舰载机消息。

而德阳二重的8万吨模锻压机,确实能整体锻造飞机起落架。但是,该设备在2012年4月1日才热负荷试车一次成功,2013年4月才投产运行。所以无论是歼15的2009年陆基首飞还是2012年触舰首飞,都不赶趟啊。

有朋友说了,中国只有一个德阳二重才能做起落架吗?会不会是国内其他厂家的模锻压机做的呢?

还真有一家,就是西安三角航空科技有限公司的4万吨航空模液压机。不过仔细一查,才发现这个中国中冶所属中国二十二冶集团有限公司承包制造、清华大学机械工程系设计的400MN航空模锻液压机,是在2012年3月一次性热试成功的。到2012年8月锻造出了GH4698高温合金模锻件,直径达1020毫米,是当时中国最大的高温合金涡轮盘件;TC18飞机结构件面积达到了1平方米以上。不过,从时间点上来看,也赶不上歼15的起飞了。

有朋友冷笑了:难道没有增材制造和大型模锻机,中国就不造起落架了吗?那中国之前数千架国产飞机的起落架,都是咋造出来的呢?

这确实是个问题。兵器迷所知不多,都倒出来,大家补充、轻拍:

首先,过去中国国产起落架的工艺,主要是两种:
1 整体锻件+机加工方式
这种工艺的缺点是:当制造大型起落架尤其是,下料重l吨以上时,需要大规格直径棒材,锻造难度大,容易产生低倍粗晶(复习《工艺篇》);同时,需要解决整体起落架深孔加工和热处理后磨削技术问题,这些因素最终导致起落架的制造成本成倍增加。

2 锻造小件后焊接。
比如:真空电子束焊接。中航工业西飞还有起落架焊接机器人。当然,焊接工艺的缺陷更多,难以满足主承力件,特别是舰载机或大型飞机的承力条件。

3 在2012年德阳800MN和西安400MN两家模锻压机制造成功之前,中国其他的模锻压机相对较小,难以完成大型起落架和其他大型整体锻件的制造。因此,歼10早期的批次,部分大型锻件是进口的,国内进行精加工。因此一直成为军方捉急和担忧的要害。二霸一出,隐患全消。

出于上述原因,歼15起落架,没有采用大型模锻机。

第二:中国是否用金属增材制造歼15起落架?

兵器迷认为是。

这方面的证据是多方面的:

一:2008年的专利文章《一种300M超高强度钢飞机起落架的制造方法》中说,“20世纪80年代,我国成功研制出40铬钢即40CrNi2SiMoVa,与美国的300M钢性能相当,广泛用于飞机起落架和抗疲劳螺栓等关键零件的制造。300M整体起落架包容面积大、形状复杂,下料重l吨以上,需要大规格直径棒材((p500),锻造难度大。利用激光成形技术,按照起落架外筒、活塞杆等零件三维数模,将300M超高强钢粉末逐层熔化沉积,直至堆积成所设计的零件毛坯,最后通过常规的数控机械加工即可制成300M钢整体起落架。其中激光成形技术的主要工艺参数为激光束功率3.0~10kW。300M钢激光成形起落架外筒件的室温拉伸性能优异,其强度与塑性达到了锻件水平。

二:中国航空制造技术研究院的介绍材料表明:其金属增材制造工艺,钛合金最高成形效率可达15kg/h,可实现钛合金、超高强度钢、铝合金、镍基合金等大型金属复杂结构的近净成形制造。最大成形尺寸为 1.5m×0.8m×3m,可成形各种框、梁、接头、起落架、滑轮架等大型结构。

三:2018年1月5日,由上海市增材制造协会支持的、中国航天科工集团和哈尔滨市人民政府主办的首届中国(哈尔滨)航空航天3D打印材料及应用制备技术博览会暨高峰论坛在哈尔滨盛大开幕,在会上北京航天航空大学王华明院士做了《高性能大型关键金属构件增材制造技术及其对重大装备制造业的影响》的主题报告。报告中专门提到:飞机的起落架组成的构件非常大,使用的材料为超高强度钢,这类应用体现了3D打印的优势。

最重要的证据来自2015年的一篇论文《A100钢激光成形零件在飞机起落架制造领域的工艺研究》。

AerMet100钢(以下简称A100钢)是1990年代美国Carpenter技术公司开发出的一种二次硬化型超高强度钢,其具有超高的强度、韧性和抗应力腐蚀性能,成为目前美国四代机及舰载机起落架 的主要用材。中国大约在本世纪初掌握了A100钢材的冶金加工方法制造起落架,即采用传统锻造+表面机加的制造方法,外筒件筒内实心部分需要采用深镗切削加工去除,易造成材料的浪费,且增加加工难度和周期。

2015年,西飞和北航合作,采用SLM技术,制造Al00钢为原料的飞起前起落架。然后对成形件进行机加工,去除部分余量。通过金相无损检测和金相测试,包括超声波检测、磁粉探伤、X射线检查,酸蚀检查合格。接着进行热处理工艺试验,在482摄氏度左右进行回火处理,促使一部分之碳化物析出,同时有可消除一部分因急速冷却所造成之残留应力,提高材料之韧性与柔性。最后进行表面处理工艺,如镀铬。经检测起落架制件的综合抗拉强度,屈服强度、断裂韧度、冲击韧度良好。

注意:媒体报道王华明教授说的“M100钢”,个人认为媒体是有误的。要么是国产化美国1980年代的300M的高强度钢,要么是国产化美国1990年代的A100超高强度钢,二者都是国产起落架的主力材料。反而没听说什么“M100”钢。

特别的,由于王华明教授明确指出了歼15起落架。因为官泄有文如此:“沈阳飞机设计研究所为代表的技术团队,在A-100钢激光直接沉积成形起落架综合验证技术方面开展了充分的研究工作,试制的起落架在飞机上实现了领先试用”。因此,个人判断A100钢的可能性最大。

如果有网友一定坚持“无图无真相”,那兵器迷就只好一咬牙,将压箱底的货拿出来,直接上图:

6-6.png
图6:A100钢激光增材制造起落架

咱不喜欢查水表,消息来源为《航空制造技术》的公开报道,请各位网友钧鉴

综上所述,个人认为歼15战斗机起落架是可以用金属增材工艺制造的。

不过,网友的怀疑也有道理——如果扫描打印能够替代揉面团做起落架,那么,中国为什么要投资25亿元去发展德阳二重的8万吨模锻压机呢?

个人有不成熟的想法,抛转和大家探讨。或许是因为两个原因:
第一:从前文的时间点看,大型模锻压机的投产时间相对较晚,没能赶上歼15研制的班车;
第二:因为歼15(也包括鹄鹰)当时是新研机型而不是成熟机型,即使触舰首飞6年来的实装也只有几十架(或者如鹄鹰设计定型工作尚未结束可能还要根据测试情况进行修改)。因此使用大型模锻工艺开模制造,成本过于高昂。

为了进一步说明,我们举个栗子:C919大运的前起落架。

大家知道,C919起落架系统是由全球知名起落架供应商德国利勃海尔做总系统集成,覆盖加拿大庞巴迪C系列客机、巴西航空工业公司E系列客机以及A350等客机起落架系统。德阳二重在2010年与德国利勃海尔进行了分包合作关系,当时8万吨模锻压机依然在建尚未投产。二重随即由国内专家率领10多名学材料出身的研究生团队,同时聘请了一名俄罗斯和一名奥地利外籍专家,参与C919起落架锻造技术攻坚,并持续3年进行民航体系改进。

在2012年8万吨模锻压机热试成功后,又实战2年进行产品工程验证,最终建立起满足国际适航要求的国产材料锻件制造体系。到2015年年底,二重生产的起落架在德国通过中国商飞公司和德国利勃海尔公司组织的评审,可以装机使用。

于是,二重采用锻造工艺,在8万吨模锻压机上开模生产了宽1.2米、高2.8米、重达1.6吨的C919主起落架外筒件,和长1.5米、宽1.4米、重达700多公斤的C919主起落架活塞杆连接件。每个锻件的整个执行过程大约需要3分半钟,其中锻压成型动作只需要几秒钟——锻压工艺大批量快速生产的能力可见一斑。

2017年7月,C919首飞。

这样看来,C919起落架由德国主包,作为商用机型必须采用成熟可靠工艺;起落架设计时间线与二重锻压机的投产节奏相符;而且C919的生产量将达到500架以上,采用锻压工艺开模制造复合成本要求。

需要指出的是,无论德阳二重8万吨/西安4万吨锻压机是否用于歼15起落架制造,无论金属增材制造能否用于制造起落架,都不应该否认,大型模锻工艺对航空工业乃至其他重工业都是极其有价值的投资。比如:
飞机的板梁、起落架舱盒、隔框,框、梁、轴、臂、杆,
各类航空发动机的盘件、航空发动机和燃气轮机的末级叶片
大型船用柴油机的曲轴、连杆、气缸盖、十字轴和齿轮等关键传动与受力部件
核电压力容器锻件,
工程装备用减速器、风力发电机增速器等大型整锻齿轮、大型吊钩、十字轴,等等。

一句话,对于制造业大国来说,这25亿,花的值。

在这两篇的讨论和澄清过程中,我们能够感受到金属增材工艺在中国获得的迅猛发展。不过,在这个领域,甚至是在LSF这个中国傲然领先的技术领域,如果不仅仅从大型航空结构件的角度,而是更加全面的评估,那么综合实力领先的公司,应当是美国Stratasys 和 3Dsystem、德国EOS 、以色列Obiet和瑞典Arcam(Arcam2016年被GE收购),这又是怎么回事呢?

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
航空制造技术
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

更多文章,请访问个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_3.html




====================================================================

本坛更多相关文章

航空领域金属增材制造的一点探讨1
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528078

航空领域金属增材制造的一点探讨2
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528087&extra=page%3D1

航空领域金属增材制造的一点探讨3
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528192&extra=page%3D1

航空领域金属增材制造的一点探讨4
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528338&extra=page%3D2

航空领域金属增材制造的一点探讨5
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528434&extra=page%3D1

航空领域金属增材制造的一点探讨7
https://lt.cjdby.net/forum.php?mod=viewthread&tid=2528922&extra=page%3D1


====================================================================

更多文章,请访问个人博客
http://blog.sina.com.cn/s/articlelist_1455885643_0_3.html






6-2.png
6-3.jpg
6-4.jpg
6-5.png
6-1.jpg

评分

参与人数 1经验 +32 魅力 +32 收起 理由
谐奇趣 + 32 + 32 优秀文章

查看全部评分

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 22:17 | 显示全部楼层
装备制造才是中国崛起的基石
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 2019-2-12 06:05 | 显示全部楼层
期待下回分解!
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 2019-2-12 09:03 超大游击队员 | 显示全部楼层
好文,之前我的理解就是增材制造适合研制时快速拿出成品,灵活性高,定型后批量还是锻压机便宜且效率高
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 2019-2-12 10:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 兵器迷的天空 于 2019-2-12 10:32 编辑

好了,改完了,增加了一点味精,呵呵。
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 2019-2-12 17:00 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨6

王牌猪头 发表于 2019-2-12 09:03
好文,之前我的理解就是增材制造适合研制时快速拿出成品,灵活性高,定型后批量还是锻压机便宜且效率高

准确些说,应该是 增材制造适用于需要快速产出的小批量试制件 以及 传统工艺加工成本过高或无法加工的复杂结构件,而以 锻压机为代表的传统手段适用于生产结构简单的量产件。
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 2019-2-12 18:12 | 显示全部楼层
兵器迷这篇文章说的很细了,就解释两个问题好了:
1、为什么业内普遍认为黄老师团队水平不满足军用复杂产品主承载构件制造?
原因很小很简单:当初其课题组没那么多钱,又需要大功率激光设备,结果选了二氧化碳激光器线路。而王老师项目从一开始就很聚焦选了适合熔炼钛合金、特种合金的IPG光纤激光器。
这一上一下,直到IPG大功率激光器成了大路货之后,差距才开始缩小。
其创办的企业市场化程度很高,但是人才密度、科研持续投入,确实无法与北航+院士+中航工业亲孙子比。

2、有关M100
实际上这个词用了很久,原因很简单:高性能粉长期依赖进口,毛子那边的标签就是M100......
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 2019-2-12 18:14 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨6

王牌猪头 发表于 2019-2-12 09:03
好文,之前我的理解就是增材制造适合研制时快速拿出成品,灵活性高,定型后批量还是锻压机便宜且效率高

不一定的
快速制作模型、实验品,传统工艺批产,主要是激光器功率低、设备水平相对落后的时期。
目前,按照中等批量计算,同样投资,增材的生产率是高于传统工艺的,只有迈向大批时,传统工艺才有突出优势。
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 2019-2-12 19:34 | 显示全部楼层

RE: 航空领域金属增材制造的一点探讨6

htucd 发表于 2019-2-12 17:00
准确些说,应该是 增材制造适用于需要快速产出的小批量试制件 以及 传统工艺加工成本过高或无法加工的复 ...

研发阶段要求标准低寿命短的东西,可以3D快速成型,验证设计。3D打印的金属件的力学性能与传统锻件,还是不一样的。它的熔池基本属于微铸态。

飞机起落架一年也生产不了多少,对于大压机的生产能力来说,小菜了。



未命名.JPG
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 2019-2-12 20:04 | 显示全部楼层
简直就是魔改嘛
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 2019-2-12 22:41 | 显示全部楼层
SLM激光修复,这个想起以前有个技术,好像是火焰或者等离子喷涂修复技术,
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 2019-2-13 22:06 | 显示全部楼层
所以说3D打印大大加快了样机试制速度和降低了试制开模成本,但批生产就不一定了。
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。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 加入超大军事

本版积分规则

指挥中心大屏幕

监狱|手机|联系|超级大本营军事论坛 ( 京ICP备13042948号 | 京公网安备11010602010161 )

声明:论坛言论仅代表网友个人观点,不代表超级大本营军事网站立场

Powered by Discuz © 2002-2019 超级大本营军事网站 CJDBY.net (违法及不良信息举报电话:13410849082)

最具影响力中文军事论坛 - Most Influential Chinese Military Forum

GMT+8, 2019-2-20 15:30 , Processed in 0.045070 second(s), 12 queries , Gzip On, Redis On.

快速回复 返回顶部 返回列表