中国のレーザー直接製造技術は、チタン製J-20の大型重要部品を3Dプリントできる

この投稿は、Little Soft Bear によって 2017-8-29 16:37 に最後に編集されました。

新しい軽量素材は、国防のハイテク兵器や装備において重要な役割を果たしています。チタン合金は、高強度、耐腐食性、非磁性、高靭性、溶接性などの優れた特性により、世界中の多くの軍事大国によって戦略的意義を持つ新しい構造金属材料として挙げられています。チタン合金素材の利用分野では、世界の大国が先陣を切ろうと競い合っています。航空用途を例に挙げると、1959年に米国が秘密裏に開発し、飛行速度が音速の3倍に達するSR-71「ブラックバード」戦略偵察機は、「オールチタン航空機」と呼べる。チタン合金の使用は航空機の重量の93％を占め、現在でも最も多くのチタンを使用している航空機である。

ボーイング社やエアバス社が開発した大型旅客機におけるチタン合金の使用率は、B747やA300の時代には4％だったが、ボーイング787やA-380の時代には10％近くにまで上昇した。第三世代戦闘機におけるチタン合金構造部品の使用は、F-4ファントム戦闘機の約3％から、F/A18EFとSu-27では15％以上に増加し、第四世代戦闘機F-22ではチタン合金構造部品の使用が機体構造の総重量の41％を占めています。実は第4世代以降の戦闘機は基本的にチタン合金＋複合材料の機体です。

写真: J-31戦闘機の4つのレーザー成形された「メガネ型」チタン合金製主要荷重支持部品補強フレーム。
造船業界におけるチタン合金の使用規模と技術から判断すると、ロシアは世界の他のどの国よりもはるかに進んでいます。 1960年代から、ソビエト連邦/ロシアは一連のチタン製原子力潜水艦を生産しました。チタン合金製の耐圧殻を持つ潜水艦の最大潜水深度は900メートル以上、破壊深度は1,300メートルで、これは現在でも世界の潜水艦の中では最も深い。タイフーン級戦略原子力潜水艦では、使用されているチタン合金の量は9,000トンにも上る。中国が国産化した潜水艇の技術は、もともとロシアの技術から学んだものである。蛟龍潜水艇の2.6メートルの耐圧殻はロシア製だった。2015年、中国はロシアの技術を基に自国の潜水艇の耐圧殻を独自に開発した。

大型一体型チタン合金構造部品の使用量も、国防装備の技術進歩を測る重要な指標の一つとなっている。アメリカ製のM777 155mm榴弾砲は大量のチタン合金材料を使用しています。3.7トンの砲身に約1トンのチタン合金材料が使用されており、砲の総重量の27％を占めています。アメリカはエイブラムスM1A2戦車のチタン合金砲塔も研究しており、これにより重量を4トン軽減できる。
西北工科大学が製造したY-20大型輸送機のチタン合金製耐荷重梁の長さは5メートルです。

軍の武器の重量に対する要求が異常な中国軍は、チタン合金を武器に適用する経験を長く持っていた。中国のチタン合金を使用した武器の歴史は、欧米に比べてそれほど遅くはない。早くも1980年代、中国はチタン合金を使用して60/82/100mm迫撃砲を開発し、空挺部隊に装備した。そのうち、TA7チタン合金を使用した80式100mm迫撃砲の重量はわずか52kgで、分解して3人の兵士で運ぶことができ、空挺歩兵連隊の火力を大幅に高めた。中国は2002年に02式14.5mm対空機関銃も開発した。銃全体の重量はわずか73キロで、アルミニウム合金とチタン合金の材料を大量に使用しており、世界初のチタン機関銃であり、今のところ世界で唯一の大口径チタン合金機関銃である。この大口径対空機関銃がどれだけ軽いかご存知ですか？射撃手はカウンターウェイトとして機関銃の後ろに座らなければ射撃できず、そうでないと一発でひっくり返ってしまいます。

近年、中国のチタン合金は完全な模倣から革新と模倣を組み合わせた新しい段階に移行し、高温チタン合金、高強度チタン合金、耐腐食チタン合金、難燃性チタン合金、低温チタン合金の開発において大きな進歩を遂げました。

航空機の大型機械部品の従来の生産は主に「鍛造+機械加工」方式を採用しており、工程が多く、技術が複雑で、材料利用率が低く、加工量が多く、CNC加工効率が低く、製造コストが高く、生産サイクルが長いという問題がありました。レーザー製造技術を使用して大型チタン合金構造部品を直接製造することは、大きな利点を示しています。

戦闘機の構造製造において、胴体の大フレームは最も重要で、時間がかかり、高価な部品であり、戦闘機の生産能力と性能寿命を制限する重要な部分でもあります。特に、性能を何としても追求する主力制空戦闘機では、加工が難しいチタン合金を素材として採用することが多く、コストの増大と生産能力の限界という矛盾が生じています。

大型チタン合金の主要荷重支持構造部品の低コスト、短サイクル成形および製造技術は、我が国の航空機器の研究と生産を制限する技術的な「ボトルネック」の 1 つです。

2013年以前、中国で稼働していた3万トンの型鍛造プレスは1台のみでした。鍛造能力は、アルミニウム合金部品の最大投影面積が2平方メートルを超えてはならず、チタン合金部品の投影面積は1.2平方メートルを超えてはなりません。このレベルでは、J-20のような双発重戦闘機用のチタン合金製大型フレームの一体鍛造を完了するには全く不十分です。

この制限により、J-20 のチタン合金フレームは、複数の鍛造品に分割して設計することしかできず、個別に鍛造した後、電子ビーム溶接技術を使用して 1 つに接続されます。このプロセスは、中国がSu-27を導入した際に獲得した技術システム一式に由来する。また、ソ連の大型チタン合金部品の鍛造能力が米国に比べてはるかに劣っていたときに開発された回避策でもあった。

F-22は、チタン合金と複合材料を最も多く使用しているアメリカの戦闘機モデルです。そのうち、チタン合金が約39％、ヒートセット複合材料が約25％、アルミニウム合金が約16％、鉄鋼が約6％、その他が約15％を占めています。

2013年4月10日、中国第二重工業集団公司が開発した世界最大の8万トン型鍛造プレス機が試作生産に成功した。中国は大型航空宇宙鍛造品の製造能力において根本的な進歩を遂げ、世界トップレベルに達した。 J-20の場合、これは、一度に完全に形成された大型のチタン合金フレームを使用できることを意味しており、その寿命は大きな進歩を遂げることになります。

チタン合金部品の従来の製造は、主に鋳造と鍛造に依存しています。鍛造と切削の方が精度は高いが、米国のF-22戦闘機の主な耐荷重部品は大型の鍛造チタン合金フレームである。鍛造チタン合金一体型耐荷重フレームは4つあり、そのうち最大のものは重量が2770kgです。しかし、部品の製造には大きな無駄があり、原材料の95％が廃棄物として切り捨てられます。さらに、鍛造チタン合金のサイズは厳しく制限されており、30,000 トンの大型油圧プレスでは 0.8 平方メートル以下の部品しか鍛造できず、世界最大の 80,000 トン油圧プレスでも 4.5 平方メートル以下の部品しか鍛造できません。さらに、どちらの技術も複雑なチタン合金部品を製造することはできず、溶接ではひどいチタン合金の腐食が発生します。

レーザーラピッドプロトタイピング技術の独自の利点は、大型チタン合金構造部品の上記製造技術の欠点を克服する新しい方法を提供します。米国をはじめとする西側諸国の産業・軍事大国はこれを非常に重視しており、1995年以来、米国国防総省は一連の特別研究計画を実施し、航空機チタン合金構造部品の急速成形技術に重要な支援を与え、研究と応用が急速に進展しました。

2013年、「航空機用チタン合金の大型複雑一体部品のレーザー成形技術」が国家技術発明賞一等賞を受賞しました。この技術は我が国の工業生産に導入されており、我が国は米国に次いで航空機チタン合金構造部品のレーザー高速成形技術を習得した世界第2位の国となっています。

北京航空航天大学の王華明教授が中国工程院の候補に選出されたとの発表では、中国のチタン合金技術が軍事兵器の分野で具体的に成果を上げていることが示された。レーザー積層造形プロセスは、J-15、J-31、Y-20、J-11B、C919など7種類の航空機、東風XXなど3つのミサイル、リモートセンシング24など2つの衛星、WS-13など3つの航空機エンジン、1つのガスタービンに適用され、主要モデルで重要な役割を果たした。
2013年、国は「航空機チタン合金尾部製造のための主要設備の開発と実証応用」という主要な科学技術プロジェクトを立ち上げました。チタン合金成形技術は、AVICグループの先進的な戦闘機の設計、研究開発、生産に広く使用されています。第5世代戦闘機であるJ-20とJ-31はどちらもチタン合金を主構造に使用しており、これにより機体構造の重量が軽減され、戦闘機の推力重量比が向上します。

2013年の第16回中国北京国際科学技術産業博覧会において、AVIC重機の持株会社であるAVICレーザーは、航空機チタン合金の大型一体型キーコンポーネントのレーザー成形技術を披露し、2012年に「国家技術発明賞一等賞」を受賞しました。

我が国のチタン合金レーザー成形技術は遅れて始まり、米国がその研究開発計画を機密解除してから3年後の1995年になってようやく研究への投資が始まりました。当初は、基本的に米国の研究に従っていました。現在までに、チタン合金レーザー急速成形技術の研究を行った国内機関には、北京非鉄金属研究所、西北工業大学、北京航空航天大学などがあります。公開資料によると、わが国は米国よりも優れたレーザー成形チタン合金部品を生産でき、レーザーを使用して12平方メートルを超える複雑なチタン合金部品を成形する技術と能力を備えており、レーザーを使用して30種類以上の大型で複雑なチタン合金ランプの主要金属部品を直接製造しています。 AVICはレーザーチタン合金成形の低コストと高速性を活用し、1年以内にJ-20、J-15、J-16、J-31、Y-20を含む複数の戦闘機を継続的に組み立て、テストしてきました。現在までに世界で唯一、高性能大型金属部品のレーザー直接製造技術を習得し、エンジニアリング応用を実現した国となっている。

出典: Sina Military 詳しい情報:
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