王華明院士：金屬3D打印或引發(fā)重大裝備生產模式變革

增材制造（又稱3D打�。┘夹g，是一種通過簡單二維逐層增加材料直接實現三維復雜結構制造的數字化、智能化、低成本、短周期先進制造的技術。它突破了傳統(tǒng)零件成形和加工制造技術的原理限制，從理論上來講，不依賴于傳統(tǒng)工業(yè)基礎設施，僅僅通過簡單的“二維數字打印”就可以直接制造出任意內部結構和外形、幾何尺寸的高性能三維復雜結構。

正因為相較于傳統(tǒng)成形制造技術的變革性優(yōu)勢，3D打印技術成為當前裝備先進制造、結構設計和新材料等技術領域的熱點方向，歐美等發(fā)達國家紛紛將其列入國家發(fā)展戰(zhàn)略。而金屬3D打印技術屬于3D打印技術中的一個重要分支，其對高性能金屬構件的制造有著重要的推動作用。

△南極熊配圖：杭州·2017中國增材制造大會上的大型金屬3D打印結構件，技術源于王華明院士

作為制造工業(yè)及國防重大裝備大型關鍵承力結構的主體，高性能金屬構件的制造將在這場制造業(yè)變革中出現怎樣的創(chuàng)新？金屬3D打印技術又將如何實現廣泛應用？就此，采訪了中國工程院院士、大型金屬構件增材制造國家工程實驗室主任、北京航空航天大學教授王華明。

發(fā)揮新技術“隨心所欲”優(yōu)勢
問：金屬可以說是日常生活中最常見的材料之一，就您的了解，傳統(tǒng)金屬制造技術還存在哪些關鍵性的制約問題？

王華明：由于相對非金屬材料具有特殊優(yōu)勢，金屬被廣泛應用于重大裝備的大型關鍵承力結構中。但大型鑄錠面臨著晶粒粗大、組織疏松、化學成分偏析嚴重、塑性成形加工性能差等問題，會影響大型金屬構件成形制造能力和構件性能�？梢哉J為，在過去幾十年間，大型金屬構件制造能力和性能水平實際上沒有飛躍性進展。

問：業(yè)內普遍認為3D打印技術將引發(fā)一場制造業(yè)的變革，您覺得金屬3D打印技術將如何擺脫傳統(tǒng)制造的原理性制約？

王華明：金屬3D打印技術擁有超高溫、強對流的“微區(qū)超常冶金”特點，而且能使金屬的凝固冷卻速度高達數十萬攝氏度/秒，具有“激冷快速凝固”的特點。這兩種特點的結合可以使金屬3D打印技術徹底擺脫傳統(tǒng)大型鑄錠熔鑄和鍛造的原理性制約，使增材制造大型/超大型、復雜/超復雜金屬構件具有晶粒細小、成分均勻、結構致密的快速凝固組織，并能方便地合成制備出傳統(tǒng)冶金制備技術無法制備的新一代金屬結構新材料。

南極熊配圖：王華明(右二)和團隊成員查看3D打印的整體葉盤的質量，圖片來源北京航空航天大學

利用金屬3D打印技術制造的構件，其內部質量、晶粒結構、微觀組織及性能，不僅不受零件尺寸、壁厚、位置的影響，而且在金屬構件逐層熔化、逐層凝固的3D打印過程中，還可以“隨心所欲”地控制3D打印合金熔池的熔體冶金狀態(tài)、凝固冷卻速度、溫度梯度等金屬結晶條件及固態(tài)冷卻等過程中的3D打印環(huán)境物理、化學條件，實現對零件不同部位材料的化學成分、晶粒尺寸、形態(tài)和取向以及微觀結構的主動控制，充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu)勢，取長補短地把不同材料“按需設計”，定制于零件的不同部位，使增材制造梯度金屬材料構件具有單一材料無法具備的特殊性能。

問：能否請您具體談談，金屬3D打印技術將對日常生活產生怎樣的影響？

王華明：就飛機制造來說，目前一架大型客機的機體結構零件數量數以萬計。未來如果利用金屬3D打印技術生產大型、復雜、整體、高性能、輕量化構件，一架大型飛機的機身結構零部件數量可能僅需數百個，可變革性地降低飛機自身結構重量。而且，在傳統(tǒng)情況下，飛機生產需要國家強大的重工業(yè)能力支撐，設計時間少則5年、多則十幾年。而將來利用金屬3D打印技術配合模擬仿真技術，可能會使飛機的研制生產周期呈現數量級降低。

若能充分發(fā)揮金屬3D打印技術低成本、短周期、數字化、智能化的優(yōu)勢，或將對未來重大裝備的高性能金屬結構材料制備技術、高性能大型復雜整體關鍵金屬構件制造技術、結構設計技術，甚至對裝備生產模式產生變革性影響。

還需在多方面實現突破

問：正如您所說，金屬3D打印技術確實具有很多傳統(tǒng)制造技術無法比擬的優(yōu)勢，但從現實生活來看，這些優(yōu)勢似乎還未發(fā)揮出來，在重大裝備研制和生產中的推廣應用還不多。為推動廣泛應用，我國還應在哪些方面著力？

王華明：金屬3D打印技術的未來發(fā)展和在重大裝備中的作用，取決于對金屬增材制造過程中關鍵科學與合金技術等基礎問題的研究水平。

△南極熊配圖：杭州·2017中國增材制造大會上的大型金屬3D打印結構件，技術源于王華明院士

目前金屬3D打印技術主要有“粉床選區(qū)熔化”技術和送粉/送絲“熔化沉積”技術兩類。“粉床選區(qū)熔化”技術適合小型、復雜構件的制造，但如果想在裝備制造中獲得大量應用，就必須在工藝、設備、材料、質量性能控制等方面有重大突破，徹底解決打印零件尺寸受限、打印效率低、零件質量性能差、零件價格超高等瓶頸問題，否則該技術只能局限在很有限的特殊裝備制造中。

而“熔化沉積”技術雖然適合重大裝備大型關鍵承力構件的制造，但其技術難度更大。因此，深入研究熔化沉積打印過程中的熔池冶金、凝固、熱物理、固態(tài)相變等超常材料制備與成形基礎問題，發(fā)展高效、高精度、高性能大型關鍵金屬構件增材制造技術，研發(fā)基于增材微區(qū)冶金的新一代高性能金屬結構新材料，是該技術的重要發(fā)展方向。

（原載于《前沿科學》2019年第4期，內容有刪減）