航空航天制造业作为高新技术密集型产业，是一个国家制造业实力和国防工业现代化水平的综合体现；而航空航天高端装备的服役性能在很大程度上取决于构件的性能。航空航天高性能构件多服役于极端严苛环境中，对构件的材料、结构、工艺和性能等提出了严峻挑战。
由于西方世界数十年如一日的对中国高端制造业的严密封锁，国内在例如：先进材料、多轴数控加工中心和铸造工艺等方面与世界先进水平相比有着巨大的差距。以大飞机壁板成型为例，咱们首次在飞机上使用大型整体成型实在上世纪70年代研发的水轰-5上。从下图加工工艺上来看，水轰-5自动化加工的程度不高，最终还是得依靠熟练工人进行手工抛光。而美国在1955年服役的B-52H轰炸机已经可以做到数控加工+机械抛光，我们必须承认在高端制造业方面咱们和西方列强的差距是长期的，并且在可以预见的一段时间会持续存在。
最近一段时间"弯道超车"似乎成为了一个贬义词，兔子现在想在这里重申一下弯道超车的定义：在技术出现理论变革的时间，利用后发优势迎头赶上。举个例子：国产燃油车一直以来都不太行，但是随着新能源汽车杀入市场，我国大力补贴新能源汽车行业，咱们好歹也有了比亚迪这种能在世界上叫得上号的车企，这就是弯道超速的最典型的案例。
在机械加工上也是一样，美国和欧洲国家基本引领了世界高端制造业走向，在精密制造行业，美国、日本、德国的优势难以追赶，毕竟人家几十年来的技术与经验积累，咋可能让你几年时间弥补上呢。但是，随着一种新型加工方式的提出，中国高端制造转型的机会，来了。
近年来，3D打印技术频繁出现在人们生活中，与传统工艺加工相比，是一种全新的制作理念。其基本原理是离散与堆积，实现形式为"增材制造"。直观的来说，就如同蛋糕店制作蛋糕时，直接根据需要加工的形状挤出奶油，而不是铣削掉多余结构生成目标零件的方法。与传统制造业不同，其应用领域广泛，制造过程将数字化信息技术与制造技术融合，根据任意零件三维模型成形复杂形状的零件，无需专用模具，这意味着3D打印技术在现代制造过程中发挥着不可替代的作用。
实际上，世界各国对于3D打印技术发展也是非常重视，美国前总统奥巴马也提出了美国增材制造计划，将3D打印技术纳入国家战略技术，并称之为"未来制造业发展的必然趋势"。从此，3D打印技术异军突起，风靡全球。但是，3D打印技术初期还是通过加热塑料材料至熔融状态，使用喷口控制挤出形状来成型零件。塑料零件固然容易加工，但是这种零件耐高温性能差、耐腐蚀能力差、力学性能低下，很难大规模进入高端制造业。
金属3D打印技术
那么，能不能以金属粉末为材料，利用相同原理来直接成型金属零件呢？工程师们在这个设想的基础上，研发了高性能金属构件激光增材制造，以合金粉末或丝材为原料，通过高功率激光将材料熔化／快速凝固逐层堆积。直接从零件数字模型一步完成大型复杂金属结构件制造，与锻压＋机械加工、锻造＋焊接等传统大型金属构件制造技术相比，该技术的优势非常明显。
以传统的航空发动机叶片为例，叶片的技术难度不仅在于材料上对高温高压环境的耐受性，还必须考虑复杂的气流问题。咱们从上图中可以看出，叶片内部并不是铁板一块，而是分布着复杂的气体通道，航空发动机在高速运行时，这些气体通道将外部高空的低温空气引入，在叶片表面形成一层空气膜来保护脆弱的叶片。新兴的数控机床对于这种零件无能为力，所以现在航发叶片的主要加工方式还是传统的失蜡法铸造。
但是，使用金属3D打印技术来说成型这种零件则难度较低。通过切片和层层堆积，该技术可以简单的加工出具有复杂内部结构的各种零件。
国际研究的落寞
是1992—2005年期间，美国约翰哈普金斯大学、宾州州立大学及MTS公司等，与波音、诺克希德·马丁及诺斯罗普·格鲁曼等军用飞机制造商密切合作，于1998年成立了专门从事航空钛合金构件激光增材制造技术工程化应用的AeroMet公司。其激光增材制造的小型钛合金全尺寸机翼构件于2000年9月分别在波音和诺克希德·马丁公司通过地面性能试验考核，2002年制定出了"Ti6A14V钛合金激光沉积产品"宇航材料标准并于同年首次实现了激光增材制造钛合金小型、次承力构件在F/A-18等飞机上的验证考核和装机应用。
但令人遗憾的是，由于未能有效解决构件"内部质量"等问题，即使再经过后续热等静压、开模锻造等致密化加工，其高周疲劳等关键力学性能也未达到锻造水平，致使激光增材制造构件难以应用于飞机构件及主承力构件。AeroMet公司已被迫于2005年10月停业关闭，国际激光增材制造技术研究陷入低谷，大部分从事金属构件激光增材制造技术研究的单位均转向激光修复和再制造领域。
国内研究的异军突起
在国际市场陷入低迷的同时，一直默默无闻的国内3D打印技术却呈现出井喷式的发展。北京航空航天大学与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、沈阳飞机工业集团公司、西安飞机工业集团公司等单位长期"产学研"紧密合作，于2005年突破了飞机钛合金小型、次承力结构件激光增材制造关键技术，并成功实现在型号飞机上的装机工程应用，使我国成为当时继美国（2002年）之后国际上第2个实现小型次承力构件实际装机的国家。
据说为轰20进气道
在此基础上，2007年突破了飞机钛合金大型、主承力构件激光增材制造工艺。研制出了具有系列核心技术、构件制造能力达4000mmx3000mmx2000mm的飞机钛合金构件激光增材制造成套装备系统，制造出了TA15、TC4、TC11、TC21等钛合金的主承力飞机加强框等关键构件。以及A100等超高强度钢飞机起落架关键构件，2008年以来先后在包括C919大型客机等大飞机在内的多种型号飞机的研制和生产中工程应用。
C919中央翼缘条
而西北工业大学的研究方向，主要是对TC4、TA15等钛合金、镍基高温合金、NiTi合金等进行了大量激光熔化沉积增材制造和修复工艺、组织结构和性能的研究，并于2012年为大型客机研制机翼上下缘条等大型钛合金构件。西北工业大学作为国内航空发动机叶片铸造成型的最高水平代表，近年来材料学院的凝固技术国家重点实验室和机电学院的航空发动机高性能制造工信部重点实验室强强联合，顺利完成国产某航空发动机叶片成形工艺攻关。
至此，国内金属3D打印技术成功的打了一场翻身仗，确定了在世界范围内的先进水平。
对未来的展望
国内3D打印技术除了西北工业大学、西安交通大学、华中科技大学和北京航空航天大学等科研院所之外，还催生出一批民营3D打印企业。例如于2011年成立的西安铂力特公司，创业之初 “激光立体成形技术及国家C919飞机复杂钛合金构件生产制造”项目获得国家重大科技成果转化项目资助。可以说，国内3D打印技术，尤其是金属3D打印技术的发展环境非常优秀。
但是就目前快速成形材料而言，国外原材料的制备技术处于领先地位，故其将原材料与设备捆绑销售。以镍基粉末为例，原材料成本约200元/kg，国内售价一般为300～400元/Kg，而进口粉末售价常在800元/kg以上。高额的成本显然已成为制约国内3D打印发展的主要因素。因此，研发适合3D打印的价格合理的新型的材料成为现阶段的重点。归根结底，材料科学这种基础科学的缺憾，已经成为限制国产高端制造业发展的主要因素之一。
所以说该走的路还是得一步一步走，高端航空技术国产化，可不能一蹴而就。
参考文献之前有的文章大家争议比较大，以后“航空技术国产化”系列文章我会尽量带上参考文献。
[1]唐洪奎,卓君,马宽,李安.航空航天钛合金结构件增材制造技术[J].金属加工(热加工),2020(08):14-17.
[2]张明.大尺寸钛合金结构件增材制造技术的研究[J].南方农机,2020,51(13):114.
[3]王玉,李帅帅,于颖.面向增材制造的零件结构及工艺设计[J].同济大学学报(自然科学版),2020,48(06):869-879.
[4]顾冬冬,张红梅,陈洪宇,张晗,席丽霞.航空航天高性能金属材料构件激光增材制造[J].中国激光,2020,47(05):32-55.
[5]黄常翼,冯阳.3D打印技术及应用现状[J].黄冈职业技术学院学报,2019,21(06):126-129.
[6]谭丽斌,余心宏.3D打印技术在金属成形领域的应用和展望[J].精密成形工程,2015,7(06):58-64.
[7]王华明.高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J].航空学报,2014,35(10):2690-2698.
[8]兰芝芳.水轰五飞机大型整体壁板的设计与制造[J].航空学报,1989(08):419-424.
“航空技术国产化”系列文章也算更新到第五篇了。纵观国产金属3D打印技术发展，我们必须认识到，高端航空产业的发展必将伴随着巨额且漫长的投入，“弯道超车”可能可以在局部领域获得超前优势，但是归根结底材料、物理、数学、化学等基础学科持续投入、持续突破才是正道。