2024年3月27日发(作者：三星i9300刷机)

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世界唯一！中国实现飞机钛合金结构件激光快速成形

2013-6-07 15:04来源：中国新闻网

5月8日，在上海国际展览中心，一名观众拍摄一台正在打印椅子模型的3D打印机。 新

华社发（赖鑫琳摄）

3D打印，让中国飞机“中国造”

近日，英国期刊《经济学人》以“3D打印：万里长城的新砖瓦”为题报道了增材制造技

术在中国的飞速发展。其中介绍，“中国最大的3D打印机能制造出高性能、难加工大型飞

机复杂整体关键构件”。这项代表着先进制造技术发展方向、在重大装备制造中具有巨大应

用价值的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”，使我国成为目前世界上唯一突破飞

机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术、实现装机应用的国家，并因此获得“2012年

度国家技术发明一等奖”。 你能想象万里长城、摩天大楼等巨型建筑物通过打印的方式被建

造出来；甚至说，你的脸、手、脚……也被打印复制出来吗？这在未来的某一天或许将不再

是奢望。

这台打印机和这项技术，属于北京航空航天大学的王华明教授和他的创新团队。

瞄准国际前沿：中国团队的“神奇变形术”

一束激光，有规则地在金属材料上游走，所过之处，金属神奇地生长。这束奇特的激光

可以制造出飞机上任意一种复杂形状的大型零件，宛如“变形金刚”，令公众大呼“神奇”。

“要是用飞机钛合金大型关键构件的传统制造方法，等零件最后成形，90%的材料都被切

削、浪费掉了。”惊叹背后，数十年致力于材料科学研究的团队负责人王华明坦言，瞄准这

一国际前沿技术的初衷在于“看不得浪费”，“传统飞机钛合金大型关键构件的制造方法是锻

造和机械加工。先要熔铸大型钛合金铸锭、锻造制坯、加工大型锻造模具，然后再用万吨级

水压机等大型锻造设备锻造出零件毛坯，最后再对毛坯零件进行大量机械加工。整个工序下

来，耗时费力，总花费要高达几十个亿，光大型模具的加工就要用一年以上的时间，要动用

几万吨级的水压机来工作，要大量供电，甚至需要建电厂。”

落后的传统工艺激发了王华明和团队成员攻坚克难的斗志，也让一个关于“中国制造”的

梦想悄然植根——“如果有一天，中国飞机上许多关键大型复杂高性能主承力构件都能采用

我们激光直接制造技术，实现低成本、短周期、快速制造该多好啊！”

梦想激励下，从2000年开始，王华明和他的科研团队启动攻关，围绕大型复杂零件锻

造技术，不断创新，寻求突破，利用5年时间走出了一条与传统方法截然不同的新路子。

这项技术可以制造出飞机上任意一种复杂形状的大型零件，宛如“变形金刚”，它的特点

——高性能、低成本、短周期正好弥补了传统制造方法的不足，而且使得很多传统方法不能

做出的构件成为可能。 他们探索了一种做“加法”的高性能金属零件制造方式——通过计算

机控制，用激光将合金粉末熔化，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生

长”，直接根据零件CAD模型一步完成大型复杂高性能金属零部件的“近终成形”制造。

过去两三年才能做好的复杂大型零件，现在两三个月就能完成，而且只需两三个人在实

验室里操作。如今，王华明他们的“变形金刚术”制作的零件已实实在在地装上了飞机，使我

国成为世界上唯一掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及在飞机上装机应用技术的国家。

立足国家需求：“为国家造，有意义！”

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王华明始终认为所有的创新都始于对实践和对现有知识的深度认识与灵活应用。要想创

新必须脚踏实地，必须结合国家重大战略需求，创造具有实际价值的创新成果。十多年来，

他这种追求创新的精神也潜移默化地影响了他的学生们。

2001年，汤海波考上王华明教授的硕士研究生时，王华明就已经在做激光增材制造技术。

“当时王老师提出这个瞄准国家战略需求和国际学科前沿发展方向的研究领域，以及与我国

主要飞机设计所、制造公司合作的这种产学研结合的模式，对我们研究生有一种很大的吸引

力。”汤海波毫不犹豫地选择了跟随王老师从事这方面的研究，如今他已经博士毕业留校，

成为这个团队的骨干力量。

与他一样，被这种“非常有意义的”目标所吸引而进入这个团队，还有很多学生。

张述泉2003年读硕士正式加入王华明研究团队时，正赶上激光增材制造技术从科研摸索

阶段步入初步工程化阶段。他十分享受带着红外眼镜，守在机器旁看着一个150毫米的小零

件在激光中慢慢“生长”出来的过程。

“那时候，七八个小时能做出一个A4纸大小的次承力结构件出来，我们都高兴得不得

了。”然而他怎么也没想到，经过近10年的持续努力后，他们将会做出外廓尺寸超过5平方

米的飞机高性能钛合金主承力结构件来。

张述泉将团队的跨越式发展归功于设计所的主导需求牵引的产学研结合模式，“如果当

时没有这种产学研结合的模式，没有国家重大需求的牵引主导作用，可能我们的研究进程就

比现在慢，需求牵引、产学研融合协同的创新模式也在推动我们跨越式的发展。” 研制出的

产品从150毫米到5平方米不仅是一个量的飞越，而且也是质的飞跃，其技术难度可想而知，

经历的失败和技术研发的艰辛只有他们能体验和享受。

发挥产业力量：让中国飞机真正“made in China”

我国自主研发的大型客机C919机头钛合金主风挡整体窗框，尺寸大、形状复杂，是空间

双曲面构件。国内的飞机制造厂用传统方法无法做出，只有欧洲一家公司能做出来，但是光

每件模具费就要价50万美元，而交货周期还要等两年。2009年，王华明团队仅仅用55天

时间就做出了零件，而且成本还不足欧洲锻造模具费的十分之一。大型客机研制中央翼一号

肋钛合金上缘条，传统锻件毛坯重达超过1600公斤，而采用他们研发成功的激光直接成形

技术制造出的精坯重量还不到137公斤，节省钛合金90%以上，切削加工重量还不到锻件

的5%！

多年来，王明华团队一直与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、沈飞公司、西

飞公司、成飞公司、中航商用发动机公司等单位有着紧密合作。汤海波说：“做科研就是产

学研结合，如果没有设计所的配合和主机厂的支持，我们是走不到今天的。如果没有应用，

我们就没有发展。产学研紧密结合起到了关键作用，是我们成功不可或缺的条件。”

如今，团队的高性能金属构件激光增材制造技术已经属于国际领先水平，学校在北京市

的大力支持下和中航工业集团公司合作，在北京组建了中航天地激光科技有限公司成果产业

化基地，他们正在挑战新的任务——让这项创新技术成果从实验室真正走向工程化和产业

化，让未来中国的飞机能真正“made in China”。(本报记者 邓 晖)

中国展示世界最大军用飞机3D打印钛合金零件[图]

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歼-15、歼-16、歼-20、歼-31……近年来，中国军事科技突飞猛进，以先进战机为代表

的各种尖端武器密集亮相，让世界看花了眼。近日，在全国两会上，全国政协委员、歼-15

总设计师孙聪透露了中国军工迅速发展的秘密——领先世界的3D打印技术。这项被英国《经

济学人》认为“将推动实现第三次工业革命”的技术，早已引发美国、欧洲诸国的激烈鏖战，

“战火”从太空一直蔓延到器官移植，从F-35、F-22等先进武器“烧”到每个人的日常用品，

现在中国竟后来居上，确实让美欧大吃一惊，一些分析人士称，中国可能已经在歼-20和歼

-31两种隐身战斗机上采用了超大尺寸激光增材钛合金构件，其体积可能已经超过了美国激

光增材技术的最高水平。目前，中国已具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构

件的技术和能力，成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造、应用的国

家。 2013年5月24日，在第十六届中国北京国际科技产业博览会上，中航重机控股子公

司中航激光所属研发团队，展示了获得2012年度“国家技术发明奖一等奖”的飞机钛合金大

型整体关键构件激光成形技术。

全国两会上汇集着中国最耀眼的各路“明星”，这当然包括全国政协委员、中航工业副总

工程师、中国航母舰载机歼-15总设计师孙聪。2012年11月，歼-15舰载机在中国首艘航母

“辽宁舰”成功起降，让这位科技明星成了记者追逐的对象。“对不起，对不起，这些真不能

说”，面对记者提出的几个有关舰载机的问题，担心一开口就说出秘密的孙聪始终微笑着守

口如瓶，但还是在不死心的记者“逼问”下，透露了不少“秘密”。

据参与该项研究的北京航空航天大学材料加工工程的人员称，北京航空航天大学已与中航

工业集团成立中航激光公司，以对该项技术成果实现产业化。在这次展会上，还首次公开展

示了某型战机的大型钛合金零件。飞机钛合金大型整体关键构件激光成形技术是“3D打印技

术”的高端发展形势，是一项“变革性”的短周期、低成本、数字化先进制造技术。该项目在

国际上首次突破了飞机钛合金大型整体主承力结构件激光成型工艺、力学性能控制、工程化

成套设备、技术标准。已经用激光直接制造30多种钛合金灯大型复杂关键金属零件在大型

运输机、舰载机、C919大型客机、歼击机等7型飞机中装机应用，解决型号研制“瓶颈”，

使中国成为迄今世界上唯一掌握高性能大型金属零件激光直接制造技术并实现工程应用的

国家。

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”颁发国家技术

发明奖一等奖。目前，这一技术在我国已经投入工业化制造，使我国成为继美国之后、世界

上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及技术的国家。（图为国内公开刊物《航空制

造技术》杂志所刊登的某型飞机后机身部件结构示意图，一些观察人士称，这显示歼-31战

机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加强框。） 更加令人欣喜的是，在性

能上，根据公开的材料表明，我国已经能够生产优于美国的激光成形钛合金构件。成为目前

世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造且付诸实用的国家。

一些观察人士称，这显示歼-31战机至少有4个激光成型“眼镜式”钛合金主承力构件加

强框。 目前，我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和

能力，并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中。成为目前世界上唯一掌握激光成

形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。 节约90%的材料和成本

在解决了材料变形和缺陷控制的难题后，中国生产的钛合金结构部件迅速成为中国航空研制

的一项独特优势。由于钛合金重量轻，强度高，钛合金构件在航空领域有着广泛的应用前景。

目前，先进战机上的钛合金构件所占比例已经超过20%。 传统的钛合金零件制造主要

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依靠铸造和锻造。其中铸造零件易于大尺寸制造，但重量较大且无法加工成精细的形状。锻

造切削虽然精度较好，美国F-22战机的主要承力部件便是大型铸造钛合金框。但是零件制

造浪费严重，原料的95%都会被作为废料切掉，而且锻造钛合金的尺寸受到严格的限制：3

万吨大型水压机只能锻造不超过0.8平方米的零件，即使世界上最大的8万吨水压机，锻造

的零件尺寸也不能超过4.5平方米。而且这两种技术都无法制造复杂的钛合金构件，而焊接

则会遇到可怕的钛合金腐蚀现象。

激光钛合金成形技术则完全解决了这一系列难题，由于采用叠加技术，它节约了90%十分

昂贵的原材料，加之不需要制造专用的模具，原本相当于材料成本1~2倍的加工费用现在只

需要原来的10%。加工1吨重量的钛合金复杂结构件，粗略估计，传统工艺的成本大约是

2500万元，而激光3D焊接快速成型技术的成本仅130万元左右，其成本仅是传统工艺的

5%。 更重要的是，许多复杂结构的钛合金构建可以通过3D打印的方式一体成型，不

仅节省了工时，还大大提高了材料强度。F-22的钛合金锻件如果使用中国的3D打印技术制

造，在强度相当的情况下，重量最多可以减少40%。

图为中国钛合金3D打印机制造的大型承力零件，在航空领域，中国激光钛合金成形技术

已经得到了广泛的应用。 在中航成飞和沈飞的下一代战斗机的设计研发中，激光钛合

金成形技术已经得到了广泛运用。通过这一技术，正在研制的两型第五代战斗机歼-20和歼

-31采用钛合金的主体结构，成功降低了飞机的结构重量，提高了战机的推重比；依托激光

钛合金成形造价低、速度快的特点，沈飞在一年之内连续组装出歼-15、歼-16、歼-31等多

型战斗机并且进行试飞。 民用航空制造业也开始应用这一技术。目前，在西北工业大

学凝固技术国家重点实验室下设的激光制造工程中心，通过激光立体成型技术为将于2014

年投产，并在2016年投入运营的国产客机C919制造了钛合金翼梁，长度超过5米。

西北工业大学制造的钛合金承力梁，长度达到5米。

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