从1980年到2022年，从运10到C919，国产大飞机经历了40多年风风雨雨，如今终于迎来新的转折点。2022年2月8日，中国商飞宣布国产大飞机C919预计在今年就能交付，届时它的商用表现就要交给人民群众来评判了！
一个月前笔者也写过一篇关于C919的文章，提到了对美国发动机的担忧和对“组装机”的澄清，近几天由中国科协“科创中国”举办，抖音、西瓜视频联合出品的《院士开讲》栏目中，正好邀请到了国内知名院士王华明和曹春晓讲授科学知识，于是，今天就顺着栏目再来说说C919中的3D打印技术和材料轻量化问题。
3D打印又叫增材制造技术，由于能把复杂的三维问题平面化为二维，所以俗称“打印”。
但它的本质和打印可是完全不同，思路是把零件拆分成无穷个平面，通过材料的叠加“从下到上”来制造实体零件，从而跳过传统的锻造、切削手段，节省工艺时间和成本。
王华明院士一开场抛出的观点就引起了各方的注意，他提到，当今想要制造大型构件，会受到传统冶金/成型技术的原理性制约，因此尺寸很难突破极限的大小。而C919的零件正好满足“受制约”的两个特性：性能高、尺寸大。
大尺寸的零件反而难造？这似乎有点反常识了，但是不妨想想看，一个零件之所以有一个规定尺寸，正是因为是这个大小才能发挥它最高的性能。以机器人为例，我们现在的仿人形机器人几乎都和人类一般大小，并没有国家异想天开，像电视里那样，造出一个酷帅拽的巨大机器人用于战争。
原因很简单：就算把小机器人内部的组件等比例放大，只会让那些精密的零件变得粗笨，无法使用，你能想象一个电视屏幕大小的芯片正常运作吗？
如果要让大机器人像人一样活动，那么内部空间也必须像原来一样细小、均匀才行，为此，必须要额外添加很多的零件，“致密”内部空间。这样一来，设计的难度、技术的难度和成本都呈指数级上升，就算画得出设计图，以人类目前的科技水准也很难造得出来，也根本没这个必要去造。
这就叫“成型的原理性制约”，是一个正常的物理法则，像一堵高墙一般阻挡着人类发展巨大装备的道路。
话题重新回到C919上来。王明华院士介绍道：C919的机头主风挡窗框正是这么一个结构复杂，尺寸巨大的家伙，当时在全世界仅仅有一家欧洲公司能造，但欧美一开口，光是模具费的要价就高达1300万元人民币，还需要2年才能出货。
如果依赖这家欧洲公司，必定会造成C919的成本费大型膨胀，成本费一膨胀，C919的性价比和竞争力可就完全比不了空客和波音了，何况，国产大飞机的研发紧赶慢赶，哪里可能在一个窗框上耗2年呢？
于是，中国人自己想办法。2009年，王华明院士及其科研团队耗时仅55天交出了成果，这个窗框从大小到结构都和设计图纸一模一样，而总费用甚至还不到200万元！这堪称奇迹的成绩，正是刚才所说的3D打印做出来的。
王院士还介绍了3D打印的具体过程：通过计算机控制激光，将合金粉末熔化为液态，接着激光控制着这些液态合金使其在基底材料上游走，像膜一样逐层堆积，“生长”成一个完整、精密的三维零件。
看似简单的过程，却是王院士及其团队早从2000年开始就潜心研究，寻求突破，直到现在才摸索出来的一条与传统截然不同的道路。
经《院士开讲》介绍，当时美国在这个领域的起步比我们还早很多，然而在疲劳性能等方面突破失败，最终在2005年左右得出结论：这条路走不通。
然而就是这条美国放弃了的路，中国团队走出来了，它性能高、成本低、周期短，而且泛用性广，以前我们能设计出来却造不出来的零件，也可以使用3D打印技术一并完成，除了C919也可以在其他领域应用，前景可期。
在栏目中，王院士感慨做创新注定是一条坎坷的路，要做好隐姓埋名、终生磨不出一剑的心理准备。好在总算是功夫不负有心人，2013年，这项名叫“飞机钛合金大型复杂整体构建激光成形”的技术被评为了国家技术发明奖一等奖，目前已经有了比较成熟的工业化制造流程，我国也成为了世界上唯一一个掌握该项技术并实现工程应用的国家。
C919的轻量化：爱国心中的钛合金讲完了C919中的3D技术，再来讲讲栏目中的另一个“重磅”，3D技术的原材料——钛合金。
钛合金是在上世纪50年代发展起来的一种新型结构金属，强度高、耐腐蚀、耐热，航天、航母舰载机都离不开它的运用。这次在C919上，钛合金使用的比例远比以前的大多数飞机和战斗机都要高。它让C919在保证“大”的同时，还保证了轻量化，极大水准降低了燃料成本。
但要说起中国的钛合金，不仅起步晚，还被当年的锻造技术拖了后腿，发展得可谓相当坎坷。
在冷战时期，美苏早早就将钛合金运用在军事核潜艇当中，而钛合金的这些技术传入中国，则要等到美苏都玩了12年以后了。那时，中国甚至没几个人听说过这种东西，但当时有一位22岁刚毕业于上海交通大学，参加研究工作的研究员对此很好奇，开始投入对钛合金的研究，这一投入，就是一辈子。
钛合金固然好用，却是一块难啃的“硬骨头”，其熔点达到了1668℃，比同条件下的金足足高了600多℃，也因此，要将钛合金锻造为精密、大型的构件异常困难。
1979年，我国空军需要筹备一架新的歼击机，为此需要用到一个1分钟需要转动10000多次的大型钛合金底盘。但由于当时的锻造技术怎么都达不到精度水准，国家无奈之下打算进口国外产品。
这件事情让那位研究员得知后，心潮难平，决心好好为民族争口气。之后，他研制出一种名叫“高低温交替锻造”的新方法，不仅一举破解了钛合金难以精准锻造的难题，甚至还降低了锻造难度和锻造水准，也正是在这个时期，钛合金不仅仅用于军用，民用用途大量激增，在假牙、关节修复、保温杯、炒菜锅……里随处可见。
如今，中国成为了世界上最大的钛合金国家之一，昔日的无名小卒已经成为了现在的中国钛合金之父——曹春晓院士，他在栏目中说起上述经历时，毫无自负和吹嘘，有的只是温和平静的讲述。
作为中国航空材料研究的先驱，他和他的同事让中国的钛合金从0起步，到如今多达18种处理工艺，包括熔炼、锻造、热处理，以及之前提到的3D打印工艺，为我国如今的C919做出了卓越的贡献。
曹院士介绍道，在这次C919当中，钛合金的用量达到了8%，胜过波音777的7.5%一筹，略逊于美国最先进运输机C-17的10.3%，但由于C919是我国第一架大型民用客机，要讲究经济性，所以比军用机用得少一些。
除了飞机，钛合金在我国中航专为C919自主研发的长江1000发动机里面也有大量运用，达到了23%，约占整体四分之一的质量，完成了轻量化。虽然长江1000从装机测试到上市或许还要一些时间，但至少我们在“去美国化”的路上已经踏出了重要一步。
现在，曹春晓院士已有87岁高龄，在他的心脏起搏器里也有着钛合金的存在，他笑谈道：“我终生研究的东西，提高了我的生活质量。”如此一看，钛合金已经成为了曹春晓院士赤诚爱国之心的一部分，永远不可分割。
87岁的曹春晓先生是第一代科学家，他研究出了钛合金新材料的锻造手法，降低了使用门槛；50岁的王华明先生则是改革开放后成长起来的科学家，他研究出3D打印的新路线，让钛合金变得更加可用、有用。
正是这样的他们代代接力，才让中国的科技建设越来越宏伟。而现在，又轮到新的年轻人们参与进来了，这是《院士开讲》举办科普活动的意义，也是两位院士共同的愿望。
C919也象征着我国高端制造工业登上新的台阶、距离航空强国的梦想又前进了一大步。当然，运用了多种新技术的它是否做到了尽善尽美，那还要等待时间来判断。目前，已有可靠第三方预估C919的售价在0.8亿美元左右，年销售额有望达到80亿美元，未来也或将为我国航空产业带来约68%的增量。
现在，万事俱备，只欠东风！至于它何时能正式使用，带着民众飞上天空，仅仅只缺你我的等待了。
#国产大飞机背后的中国黑科技#
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