近日，两位参与过国产大飞机研发的院士罕见地参加了同一档科普节目。在抖音与中国科协“科创中国”联合出品的《院士开讲》中，中国科学院院士曹春晓和中国工程院院士王华明科普了应用在C919制造中的钛合金应用和金属3D打印技术，让我们看到了国产大飞机背后技术攻坚的艰辛过程。
给国产大飞机换上钛合金
2006年，国务院批准成立大型飞机方案论证委员会，曹春晓是唯一从事航空材料研究的委员。国产大飞机项目启动后，曹春晓担任专家咨询委员会委员，奔波于全国各地。大飞机项目涵盖民用和军用机型，民用客机代号就是C919。飞机的自重越少越好，飞机自身的重量占它整个起飞重量的百分数，称为“飞机的结构重量系数”。过去七十年，没有一架飞机的结构重量系数低于27%，就是受制于大型构件的性能和大型构件的制造能力。钛合金材料成为其中的关键。通过钛合金材料和锻造技术的提升，可以减轻飞机的结构重量，提升其竞争力。如今，对经济性要求更高的C919，钛合金用量达到8%，与美国波音777的7.5%用量相当。大飞机的制造离不开对技术要求极高的大锻件。在《院士开讲》栏目中，曹春晓展示了一个用于C919的钛合金锻件接头，这个名为TC4的接头，重量为600公斤。为了制造类似的锻件，中国建设了世界上压力最大的8万吨液压机。
来源：抖音《院士开讲》第五期
2015年11月，拥有我国自主知识产权的C919在上海总装下线，正式向全球公开亮相。曹春晓在现场激动不已，四十多年的梦想终于成真。2017年5月5日，C919大型客机在上海成功首飞。2021年3月，C919拿下首单订单。截至2022年初，C919已经拿下815架订单。
曹春晓院士（左四）在C919下线现场
弯道超车的3D打印技术
作为改革开放后走上科研岗位的中坚力量，王华明院士致力于用3D打印技术解决材料锻造难题，对于国产大飞机的研制也发挥了关键作用。他今年50岁，已经在金属3D打印领域钻研22年。“3D打印”在业界有更学术的名称：增材制造。这项在1980年左右诞生的制造技术，得益于计算机的发明，使制造过程变得数字化。而其原理，就是把零件切分成无穷多的平面，把三维的复杂零件当成二维的平面问题来做。所谓的“增材”，就是一层一层地往上增加原料来做成新的材料，就像高等数学里的定积分。增材制造，就是把粉和丝这样的原料，通过熔化的过程，完成合金化，完成凝固，完成材料的制备，与此同时，塑膜直接变成零件，材料制备的过程本身就是制造复杂零件的过程，中间不再需要有传统的冶金工业，传统的锻造工业过程。
来源：抖音《院士开讲》第九期
王华明院士团队研发出的激光增材制造技术，为国产大飞机和新型战斗机提供了关键受力大型部件。“我们团队真正瞄准的核心，是如何控制微区冶金这个过程，能做出高品质的材料，能让材料的性质发生质的变革。”王华明说。在《院士开讲》中，王华明还分享了一次攻坚经历。美国等国外技术团队率先尝试用增材制造的方法制造钛合金构件，结果疲劳性能不够，尝试了很多办法还是未能改善，在2005年左右放弃了这条路。而王华明的团队继续坚持，虽然起步晚于国外，最终却做出了可以用于大飞机的关键构件。
来源：抖音《院士开讲》第九期
从2007年起，王华明团队就已制造出许多非常复杂的构件。“以前我们总师们很头疼，他可以设计出非常好的结构，但我们搞制造的干不出来，现在你就可以把这个约束取消掉，自由地设计，我们想办法去做，当然我们可能永远跟不上设计师的步伐，但是你可以放开，你们至少有很多余地会改善。”王华明院士说。拿C919来说，机头主风挡窗框就是王华明院士团队研发的。这种部件尺寸大、形状复杂，国内飞机制造厂的传统方法无法制作。欧洲一家公司可以制作，但周期漫长，需要两年时间才能交货，而且价格高昂，仅每件模具费就要50万美元。
2009年，王华明团队利用3D打印技术，耗时55天做出了C919机头钛合金主风挡整体窗框，成本不足欧洲锻造模具费的十分之一。
王华明团队通过和沈阳飞机设计研究所等机构的密切合作，在大型关键构件的制造上，已经取得了质的突破。除了省去模具、传统铸造锻造外，由于把三维问题当成二维来做，零件的大小、形状、尺寸，不再受制约，理论上不再受到制约。
“它将会改变未来装备的结构，也许会改变未来装备性能，也许一个飞机需要3万个零件，自重好几十吨，现在有了3D打印之后，几万个零件，也许变成2000个零件，数量已经大幅度减少。通过打印高品质的材料，强度在提高，自重也在减轻。”王华明说。
来源：抖音《院士开讲》第九期
科普和科研同样重要
除了机身，发动机也是钛合金应用的重要场景。航空发动机被看作是大型运输机和战斗机的“心脏”。在《院士开讲》中，曹春晓透露，“等长江涡扇发动机研制正式成功以后，也会用到我们这个C919上面。” 长江1000涡扇发动机的钛用量已经达到23%。
在《院士开讲》的最后，作为新中国成立后的第一代科学家，曹春晓院士表达了他的愿望：“第一个愿望是希望（使用钛合金材料）的新型国产飞机能够早日投入使用，第二个则是未来还能做出质量更高的国产（航空）发动机。”
来源：抖音《院士开讲》第五期
曹春晓院士表示，国产大飞机之路还很长，需要更多人参与进来。对此，王华明也深有同感。“要做大事情，你一个人是做不成的，要沉下心来，不要想着干每一份事情都要有一个眼前的这种利益，可能你需要合作，需要有个团队，不同的人在一起，干惊天动地事，做隐姓埋名臣，也许就是这么一种结果。”王华明说。
在他们看来，科普和科研同样重要。王华明院士曾参加央视《开讲啦》等科普节目，这次参加由抖音和中国科协“科创中国”联合出品的《院士开讲》，也是希望与更多年轻网友进行交流。目前，曹春晓和王华明院士的两期内容已经在抖音、今日头条、西瓜视频上线，并吸引了上千万人次观看。王华明院士的讲述很生动，将3D打印的过程比作“揉面”。而曹春晓院士很擅长与年轻人进行互动，虽然已是87岁高龄，却依然关注很多年轻人关心的话题，比如科研院系的男女比例，或是熬夜和加班问题。通过这些科普内容，越来越多的年轻网友开始对航天航空行业有了兴趣。 （采编：www.znzbw.cn）
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