王華明院士：高性能大型金屬構(gòu)件3D打印技術(shù)是變革性的，過去50年冶金技術(shù)進步緩慢

在2019年IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇上，南極熊遇到了北京航空航天大學(xué)教授、中國工程院院士王華明做了主題是《高性能大型金屬構(gòu)件增材制造若干材料基礎(chǔ)問題》的報告。

下面是現(xiàn)場速記（盡管已糾正過，但仍有紕漏之處，敬請諒解；全文4700字。）：

我研究關(guān)于金屬構(gòu)件方面的增材制造，尤其關(guān)于高性能大型構(gòu)件增材制造問題。

3D打印大型金屬構(gòu)件，材料是核心問題

增材制造技術(shù)去做重大裝備當中大型關(guān)鍵高性能金屬構(gòu)件，盧老師做的比較全面，我只做金屬的3D打印，而且是金屬3D打印當中做大型金屬構(gòu)件。我非常贊同盧老師前面說的，增材制造技術(shù)的發(fā)展一定需要研究，我們現(xiàn)在最缺的，相當于一棵大樹，如果沒有根，基礎(chǔ)研究跟不上，其他就不行。如果做大型金屬構(gòu)件，我的理解這個技術(shù)能不能發(fā)展，材料是核心問題。
3D打印對于大型關(guān)鍵的金屬構(gòu)件至少關(guān)心：
第一，打印出來的部件質(zhì)量和性能怎么樣，這非常重要。質(zhì)量性能一定是和3D打印過程當中的材料金屬問題密切相關(guān)。
第二，要走向應(yīng)用，打印出來的東西，3D打印可以打印任何形狀，任何尺寸，甚至說都可以，但還是有很多問題，打印出來的精度怎么樣？其實我們很多地方不行，打印出來還需要加工，甚至沒有辦法加工，效率怎么辦？這也是非常重要。
第三，不是什么結(jié)構(gòu)都可以打造，比如打大型金屬零件就容易變形，什么材料可以打�。坑辛�3D打印之后，也有了更新的材料，這些為3D打印而生，可能為醫(yī)療解決很多問題。

△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(jié)構(gòu)件，技術(shù)源于王華明院士

3D打印技術(shù)基礎(chǔ)研究要做好

最重要的問題，我相信最終是成本。一個技術(shù)如果走向應(yīng)用，成本上沒有優(yōu)勢是不可能的。質(zhì)量性能決定能不能用，打印精度效率也決定了能不能用，也決定成本怎么樣，材料、什么材料、什么結(jié)果，要解決這些問題。根本上是解決材料基礎(chǔ)問題，3D打印過程當中材料基礎(chǔ)問題，不是粉末，不是色彩，那叫原料，是通過3D打印這個冶金的過程，極端條件下的冶金，然后熔化、凝固、固態(tài)相變，最后形成材料。

我們從1989年開始做這個事情。盧老師剛才談的非常好，希望金融界的人，投資界多投一些錢到這來支持更多的人，扎扎實實把基礎(chǔ)研究做好，否則這座墻要倒，靠去干活的工人，靠偷點技術(shù)最多是三五天，最終起不來。

我后面材料科學(xué)問題講的比較少，解決了一定的材料科學(xué)問題之后，增材制造技術(shù)做大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件對未來有什么影響？我在講的過程中不再講材料科學(xué)問題，科學(xué)問題是極端條件下的冶金，極端條件下的凝固，極端條件下的固態(tài)相變，極端條件下的熱力學(xué)的問題，這些問題都是以前不曾遇到。比如說在平風(fēng)條件下的力學(xué)問題，線性的力學(xué)也不是那么回事。一開始了解重大裝備當中的大型配件，重大裝備的大型配件它是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)，也是瓶頸，也反映一個國家的工業(yè)綜合實力，因為鑄錠不行所以說后面要鍛造，如果鑄錠好了沒有必要鍛造，我認為鍛造是不得已而為之。這條路我認為做大型構(gòu)件的障礙在冶金，前面這一塊阻力很大，偏析嚴重，疏松嚴重，這是現(xiàn)實。

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(zhì)量，圖片來源北京航空航天大學(xué)

實現(xiàn)大型金屬3D打印現(xiàn)實問題與難點

現(xiàn)在發(fā)展的趨勢，東西越來越小，但是飛機會越來越大，運載火箭會越來越重，要求高性能，多功能，高可靠和長壽命，這是基本的趨勢。在這種基本趨勢條件下，制造這些裝備大型關(guān)鍵的金屬構(gòu)件，在可預(yù)見的將來還是金屬。金屬畢竟是最安全，最可靠的一種材料。但是你如果把金屬性能提高，我們沒有別的辦法，合金化，往里面加更多合金元素，合金越來越復(fù)雜，對它的控制要求越來越高，一切毛病處在這，將來合金元素根據(jù)熱力學(xué)凝固過程偏析，沒有辦法解決的。

第二是零件越來越大，做小零件好辦，偏析問題，凝固問題，很多問題都可以解決，但是現(xiàn)在要大，要整體，要輕，因為結(jié)構(gòu)很大，結(jié)構(gòu)大帶來的毛病很難解決，結(jié)構(gòu)大之后帶來大的構(gòu)件對于材料、傳統(tǒng)冶金那是天花板。
某種意義上，過去50年以來，冶金技術(shù)的發(fā)展從原理上進步很小。

最后一個是復(fù)雜合金大型的結(jié)構(gòu)帶來制造的毛病，成本低不了，周期肯定短不了，裝備技術(shù)的要求肯定高，這是現(xiàn)實。大型金屬構(gòu)件如果撐起大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造，兩個東西，一個是材料，一個是制造。我認為根是材料，那條腿不行這條腿就不可能行。傳統(tǒng)冶金我叫原理性制約，它的原理就是這樣，所以你沒有辦法。大型構(gòu)件制造能力上不去，材料性能水平也上不去。航天發(fā)動機外盤原來是鎢合金的，然后再去鍛造，但是現(xiàn)在加了更多的鎳，更多的鈦，更多的物質(zhì)之后偏析太嚴重，偏析太嚴重就容易斷，它就裂。把它霧化成粉末，把液態(tài)金屬吹成一百微米鑄錠，原來做一堆的鑄錠，現(xiàn)在做一個微米的鑄錠，它是粉，你還能把粉收起來壓成盤子，熱力學(xué)的制約，我認為要突破高合金化材料的瓶頸，凝固還是唯一的一條路。

△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(jié)構(gòu)件，技術(shù)源于王華明院士

給大家看一個現(xiàn)實，根就是熔煉鑄造這個環(huán)節(jié)中出了問題，后面再去做，現(xiàn)階段我認為是機械�，F(xiàn)在全世界最大的鈦合金模鍛件沒有超過50噸的，鋁合金的厚板可能沒有超過300或者400。在這個現(xiàn)實條件，以航空為例，殲滅機制動占起飛重量的百分數(shù)從來沒有低于27的，70年以來沒有進展，這是一個現(xiàn)實。

其實講金屬材料很簡單，技術(shù)材料像做面粉一樣，假如說最細的面粉，面粉柔起來是實的，里面沒有氣孔，面條一定會拉的很長，一定會勁道，強度高，數(shù)據(jù)好。金屬材料跟這個一模一樣，金屬材料麻煩在這，加了合金元素，只要一做大，化學(xué)不均勻、機理很粗，不致密，強度低，塑性差。現(xiàn)在3D打印可能為創(chuàng)造了一個條件，3D打印就是一層層往上加。

3D打印給金屬制造帶來的變革

在我看來3D打印有三個東西，

• 一是變革結(jié)構(gòu)
• 二是變革材料，把不同的材料組合在一塊，或者3D打印過程中利用極端的條件，突破傳統(tǒng)原理性瓶頸，突破發(fā)展新的材料
• 三是制造模式的變革
  
  

下面說金屬大型構(gòu)件。我一直講通過極端的熔化，在極端條件下短時間冶金，和短時間快速凝聚變成材料，它的本質(zhì)是出來一個冶金的毛坯。我們希望它以后越來越精，最好不加工，但是很難。這個技術(shù)影響有：

• 第一個是3D打印本質(zhì)的特性，你通過這種方式快速凝固，理論上說你可以做出很大很復(fù)雜，甚至不受限制的結(jié)構(gòu)，你不再需要冶金裝備。
• 第二個我們更關(guān)心極端條件下冶金極端條件下的凝固，真正把傳統(tǒng)冶金的瓶頸突破，發(fā)展出來全新的材料，而不不限于現(xiàn)有的材料。
  
  
  

下面看一些例子，做大零件難，只要強度高，塑性差，做大之后一定會變形開裂，理論上說會非常困難。我們可以做出超大型的鈦合金零件，其他方法是出不來的。

再給大家看更大的，可以做很多大的東西，但是很難，這樣的東西傳統(tǒng)方法去做，剛才這樣的零件十幾個平方米，不相信誰的鍛件能打這么大。鈦合金鍛件不可能的，原來十幾個零件很大的鈦合金零件，這都是很大。我們增材制造的梯度材料做了十幾年，梯度的結(jié)構(gòu)材料，而不是說功能材料，這些東西很大，不同地方用的不同的鈦合金做的東西，可以做的很大，但是很難，這個東西可以做很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

前面多位專家談到優(yōu)化，3D打印為結(jié)構(gòu)設(shè)計的創(chuàng)新，或者顛覆性的結(jié)構(gòu)帶來機會，最大的影響是結(jié)構(gòu)，一定最終是結(jié)構(gòu)帶來的影響，一架飛機原來一萬個零件現(xiàn)在可能變成二百個，原來輜重50噸，也許以后變成5噸，它靠結(jié)構(gòu)帶來變化。材料非常重要，但是結(jié)構(gòu)更重要，結(jié)構(gòu)帶來變化之后，你們以前搞強度搞結(jié)構(gòu)的這些人再試試看，包括梯度材料，一方面梯度之后材料力學(xué)所有東西不適用了，都是全新的東西。

在航空發(fā)動機和燃氣輪機上，噴嘴不是關(guān)鍵構(gòu)件，我認為最關(guān)鍵的風(fēng)扇、壓縮機、渦輪壓片、渦輪盤。2007年2月13號照的航空發(fā)動機高溫合金盤，耐熱鋼450斤重鋼機匣，性能上遠超鑄造和鍛造。

3D打印可以做到零件，但是要做很多工作，最核心的我認為在3D打印過程中極端短時，超高溫，強對流極端情況下實現(xiàn)合金化。水和油不可能混在一起，創(chuàng)造極端條件，水和油可以混合均勻，時間太短，這種情況可以突破傳統(tǒng)的原理性制約，發(fā)展新一代的金屬材料�，F(xiàn)階段這樣的材料突破不了，我認為過去五十年來沒有進展，質(zhì)量有進步，技術(shù)進步，質(zhì)量更穩(wěn)定，性能更提升，這是現(xiàn)狀。3D打印會帶來真正的提高。

看一下例子，500噸的鋼錠，500噸的鋼水，煉的均勻就不容易，氣體要少，雜質(zhì)少，想辦法得到一個好的鑄錠，但是鑄錠太大，中心和邊可能相差幾十倍，化學(xué)成分非常不均勻，后面要鍛。一個孩子天生愚鈍，靠后天教育費的力氣很大，金屬冶金也是這樣。

整出來一個過程不行，后面再鍛造，像揉面，揉半斤就可以揉動，如果50公斤就揉不動，但是你使勁揉，揉比不揉強。帶來的變革，傳統(tǒng)的缺陷和偏析，原來幾個微米，幾十厘米，超過微米尺度范圍你認為均勻，通過原理性制約，可以設(shè)計出新的材料就是全新的材料，我做出來的零件理論上說任何一個點是可控的，可設(shè)計的，可重復(fù)的，鍛件中心和鍛件皮上一定不一樣，3D打印這些問題都沒有，這就是變革，設(shè)計師們可以不考慮位置效應(yīng)，你考慮成本就可以了。這就是帶來的變革。

舉一個例子，其實就是小區(qū)域的熔化凝固問題，這個事情說起來容易做起來挺難，這么小的區(qū)域怎么控制它的形和控制它的生長？我們能做到，等軸裝，也可以長成鋼筋混凝土，不是往里面加鋼筋，一部分連續(xù)長，調(diào)節(jié)它的間距和大小，最終控制晶體大小和曲象，這才是智能制造，不是一般智能制造，外形那個東西比較簡單，這是材料冶金的問題。我把這個東西用在航空發(fā)動機的整體葉盤上，柱狀晶，600噸的鈦合金，高溫持久，壽命提高6倍，蠕變量減少70%，這是全新的材料。

3D打印雙向鈦合金是結(jié)構(gòu)材料用的最多的鈦合金，我們可以控制它的相變，得到現(xiàn)階段不層有的特種雙態(tài)組織，和傳統(tǒng)的雙態(tài)組織天壤之別。這不光好看，帶來的損傷容限性提高一個量級，沒有高強度的損傷容限，要讓它里面有裂紋不擴展，降低強度，提高塑性，所有金屬材料無一例外，用的最多的鈦合金是DT，強度達到56，疲勞特性百分之二三十的降低，這是所有材料沒有的，什么叫革命，這就叫革命。

剛才盧老師談了很多性能，天然就比鍛件好，不可能做到微米級大零件，3D打印可以做到，所以它的關(guān)鍵性能就是比鍛件好。

舉個例子，說性能，材料性能絕對不是做一個數(shù)據(jù)，10余年300多批粉末，近10萬余性能數(shù)據(jù)，工程上，基準值，99%可靠度，99%的置信度，你一定取最低，100%沒有辦法說，我們大部分材料沒有這個值，3D打印數(shù)據(jù)分散性比鍛件小的多。斷裂韌性，平均值，說基準值多少，基準值比單鍵平均值高的多，這就是帶來的變革。

不同的材料，零件不同的部位采用不同的材料和不同的結(jié)構(gòu)，12年前做的，這是1989年做的，30年前做的。

影響三是變革裝備結(jié)構(gòu)和裝備的研制模式，這個東西影響很大，剛才盧老師談了做大飛機做一架和10架一樣快，做大的復(fù)雜的一件兩件一定貴，它的性能一定不好，現(xiàn)在可能做到。

裝備模式，書記在2013年講，3D打印這個技術(shù)可能會帶來一些變化。原來我們實驗室特別小，但是它可以干重工業(yè)干不了的事。

雖然前景光明，我們核心技術(shù)缺乏。這個方向是這樣，現(xiàn)階段來說不是什么都適合打印，可能打印貴的，還得有塑性，打零件大的，結(jié)構(gòu)復(fù)雜好，未來的方向不是打現(xiàn)在貴的材料，現(xiàn)在塑形好的材料，打增材制造極端冶金新一代材料，這個材料將不是現(xiàn)在的材料，結(jié)構(gòu)將來一定是變革性的，功能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)，而不是現(xiàn)在的結(jié)構(gòu)。

任重道遠，做大型金屬構(gòu)件，高性能金屬構(gòu)件，沒有材料基礎(chǔ)，沒有做長期的工作是不可能。謝謝大家。