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【市场研究】十年内中国军事装备在3D打印钛合金框架等方面将重点突破

中航迈特粉冶科技2018-11-07 14:13:24

2015年,国务院针对中国“与发达国家相比,我国制造业创新能力、整体素质和竞争力仍有明显差距,大而不强”的现状;制订了国内第一个制造强国战略的十年行动纲领,以指引我国“实现从制造大国向制造强国的转变。”

1月份,国家制造强国建设战略咨询委员会发布了《中国制造 2025》重点领域技术路线图(为行文方便,以下简称“绿皮书”),披露了未来十年内我国制造业的规划方向;其中就涵括了大量军事装备方面的重点发展突破方向,而基础材料工艺和航空发动机领域,就是重中之重。

一、未来十年,中国大量核心材料和工艺将从无到有,从弱到强

优秀的材料,是高性能、长寿命装备的基础,但和西方强国相比,我国在这一方面仍然比较薄弱。绿皮书中指出,目前国内“国民经济需求的百余种关键材料中,约三分之一国内完全空白,约一半性能稳定性较差,部分产品受到国外严密控制”。而未来的十年间,我国将以极大的力量突破这些关键的战略性材料和相关的工艺、设备,力争在2025年实现85%的产品自主供应。

图:目前我国高级钛合金3D打印件使用的钛合金粉末原料,非常依赖于进口产品;主要原因是在于制备技术难度较大,国内尚未完全掌握

比如这两年,我国新材料工艺中宣传报道最火、最热门的钛合金3D打印技术;实际上它目前并不成熟,存在两个方面的问题。首先是作为原材料的钛合金粉末,我国目前对它的制造技术掌握的很不够,现阶段非常依赖进口而且获得的数量有限。在这一方面,我国力争在2020年开始形成具备自主知识产权的先进钛合金打印粉末制备技术,并形成200吨级别的产能;在2025年要达到600吨产能,并实现80%的产品自主供应。

图:3D打印对产品的外形限制极为宽松,这方面的能力是传统加工技术无法企及的。但是就像任何一门新兴技术一样,目前它工作原理所带来的很多性能缺陷如何处理,还令人极为头痛。

另一方面,钛合金3D打印的技术原理,其实是堆上一层层的钛合金粉末,用高功率的激光将其融化、凝固,不断累积出设计时的尺寸和形状。但是在目前来说,这个过程中急剧加热冷却带来的快速膨胀收缩,都使最终的部件里存在大量的微观组织错位缺陷和很高的残余应力;实际强度和锻造工艺产品并不在一个档次,目前并不能真正用于关键承力结构上——比如起落架和机身大框。

图:锻造件在性能的的优越性,在于它高温软化原料以后,用巨大的压力把内部的细小缺陷给压实、压没了,并缓慢冷却确保内部不形成新缺陷、甚至直接开裂——越大和形状越复杂的锻件,冷却必须越慢。

而在未来的十年中,我国将对3D打印的具体机理和设备进行深入的优化攻关,力争在具体工作原理和设备性能上实现脱胎换骨的进步;在2025年,使3D打印的“成形件强度达到锻件标准,实现航空航天等结构工程化应用”。同时将3D打印的金属种类也大大扩展,包括铝合金、甚至是发动机等部件的高温合金。

图:目前我国展出的3D打印钛合金框架等产品,并不能真正交付工程应用,主要是其展示和宣传作用。真正实用化,起码要到2025年以后。

类似于钛合金3D打印问题的,还有我国以碳纤维为代表的高性能纤维产业和相关工艺发展。比如T800碳纤维的研制成功此前不断从十二五规划延期到十三五规划,而目前按照最新的绿皮书规划,我国力争在2025年最终实现该产品批量生产的性能和质量达标。同时开发自主的碳纤维自动铺放设备,力争在2025年完成自主开发的大型飞机复合材料部件能部分通过西方适航标准认证,并为制造与波音787机翼同级别产品的能力打下基础。

图:波音787铺设复合结构机身,图中黑色束状物就是由预浸过树脂的碳纤维所组成

图:VIPER 6000自动碳纤维铺放设备,广泛用于F35等先进战斗机的复合材料部件生产。我国通过民机合作项目——比如成飞为波音787生产方向舵等,引进了国外的自动铺放设备。但我国最终一定要具备自己研制生产这类设备的能力。

图:F35的复合材料进气道

而在大家最为关注的发动机领域,我国在未来10年内将打通整个先进高温合金的制备工艺流程。这一方面我国不仅打算突破产能上的瓶颈——实现高温合金的低成本规模化生产,而且要“突破第四代粉末、单晶、点阵材料等新一代高温合金关键技术。”

此外我国还将集中攻关陶瓷基复合材料等新技术,最终满足涡扇15(歼20未来使用的发动机,设计和性能类似于美国F22战斗机装备的F119发动机)等型号为代表的重大航空发动机和燃气轮机(驱逐舰等军舰的动力)项目需求。

二:大量新型发动机将成为中国新一代飞机谱系的核心支撑力量

长期以来,航空发动机以仿制为主、型号少,性能寿命不理想,一直是困扰我国航空工业发展的心脏病。在未来的十年中,我国规划了一系列相当完整的发动机型号,涵括了各种用途和吨位级别的飞机。由于型号很多,笔者只举其中最具有影响力和代表性的例子。

图:展出的CJ-1000A发动机全尺寸模型

CJ-1000A大涵道比大型涡扇发动机。对于只关注国产军用飞机和发动机的人来说,这个编号或许比较陌生。实际上它是涡扇20的民用升级版,会更多采用一些先进的设计和部件,以提高性能并降低油耗等使用成本;比如款弦弯掠设计的钛合金和碳纤维复合材料风扇,更先进的高压压气机和涡轮叶片,以及更低污染排放的燃烧室设计以满足西方适航标准认证等等。

图:CJ-1000A的背后,是C919、运20等大型飞机的动力研发需求

按照规划,CJ-1000A将在2025年投入商业运行,装配在C919上。从性能和定位上说,它与C919目前装配的CFM公司的LEAP发动机比较接近。实际上绿皮书中的CJ-1000A,很大程度上代表了整个涡扇20系列发动机的发展规划。随着该发动机的成熟和进步,包括运20等使用涡扇20的飞机同样能极大的获益——航程和最大起飞重量都能得到明显的性能提升。

图:5000千瓦涡桨发动机将会使运8系列性能大为提升

图:美国C-2舰载运输机以及基于该平台的E2舰载预警机

5000千瓦级大功率涡桨发动机。它将广泛应用于我国的各类中小型运输机,包括未来的运八平台改进和舰载运输机平台(舰载预警机也是在舰载运输机的基础上改装的)。新发动机的投入使用,将使运八系列具备实用化的高原起降能力。

目前运八在高海拔、空气稀薄的高原起降时,不仅需要长得多的跑道距离,而且从降落到起飞中途,发动机不能停止工作,只能短暂停留。尤其是对于舰载机来说,我国南海等地区温度和湿度都非常高,发动机功率衰减非常厉害;只有高功率的发动机,才能留出足够的动力储备,使飞机在任何情况下都能完成短距起降的要求。

图:米26重型直升机,我国未来重型直升机和它有很大的血缘关系

图:米26重型直升机发动机

图:米26变速器,左侧是后端,接尾桨;上方接桨毂和主旋翼。

8000千瓦级大功率涡轴发动机及其配套的大功率长寿命先进传动系统,它将用于我国未来的重型直升机。无论是民用的抢险救灾,还是军用——尤其是配合航母、两栖登陆舰使用,重型直升机都具备极大的价值。根据绿皮书公布的指标,这套传动系统的最大减速功率大于15000千瓦(证明直升机采用双发动机布局);首翻寿命大于5000小时。

特别值得强调的是,直升机减速器故障的来源中,有70%来自于重载轴承;高可靠性的重载轴承研制,是这套先进传动系统的三大核心重点之一。因此这套传动系统一旦研制成功,意味着我国所有发动机的轴承可靠性都将得到一个极大的突破。

在绿皮书中,我国未来十年里材料工艺和发动机等基础项目被赋予了极大的篇幅,国务院的重视由此可见一斑。科学工程上的任何成就,最终都是要一点一滴积累起来的;虽然我国在前几十年的不重视和国力薄弱造成了今天的被动,但是随着未来十年内人力、技术、资金的大规模持续投入,这些短板和空白领域一定将得到极大改观。


文章来源:中国3D打印网




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中航迈特粉冶科技(北京)有限公司成立于2014年2月,位于北京市中关村永丰高新技术产业基地,是一家以航空航天金属粉末材料及零部件研发制造为基础,以专业3D打印金属制粉装备及工艺技术开发为目标的高新技术企业。公司投资建成国内技术水平最高、综合实力最强、产业规模亚洲最大的球形金属粉末材料及装备研发生产基地,具备年产制粉炉设备45台套、高品质球形金属粉末材料800吨能力。


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中航迈特立足航空,服务军工,研究开发世界一流的制粉技术,突破并解决一系列制粉基础科学和关键工程技术问题,成功研制出符合航标、国军标、美国ASTM、AMS等标准的粉末产品,涉及钛合金、高温合金、钴铬合金、模具钢等200余个合金牌号,粉末整体粒度细、球形度高、流动性好、氧含量低,材料性能与进口相当或优于进口,在我国航空发动机零件热等静压、3D打印等工艺技术上获得应用,成功为我国一大批军工单位、院所高校、国内外企业提供高品质增材制造/3D打印粉末产品及一体化应用解决方案。


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