澳大利亞院士吳鑫華：航空材料選擇性激光溶解中冶金問題和質(zhì)量控制

澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士吳鑫華：《航空材料選擇性激光溶解中冶金問題和質(zhì)量控制》主題演講。

吳鑫華：女士們、先生們，早上好！
   
前面各位講演專家們也提到了，3D打印材料是非常重要的，我是材料工程師，所以我今天主要講一講3D打印中的材料問題，尤其是在航空中的應(yīng)用問題，因為航空中對材料質(zhì)量要求非常嚴(yán)格。今天我用一些例子介紹一下，我們?nèi)绾慰刂?D打印中材料指標(biāo)問題。
   
我來自莫納什大學(xué)，我們有增材制造中心，我還會介紹一下我們這個中心的特點，以及在航空中的新應(yīng)用，最后講一下對于金屬材料來講，尤其是對于航空材料來講有什么樣的發(fā)展方向。

   

莫納什大學(xué)是澳大利亞最大的大學(xué)，有8萬多名學(xué)生，最重要的是它的材料學(xué)科，非常強，現(xiàn)在全世界排第7名。
   
我們的增材制造中心成立于2012年，我以前是在英國工作，2012年轉(zhuǎn)到澳大利亞工作�，F(xiàn)在這個中心大概有40多人，主要是面向于基礎(chǔ)研究，但最后的結(jié)果是要為工業(yè)界服務(wù)的。
   
這個中心的歷史，我是1991年去英國伯明瀚大學(xué)，在歐洲有空客等等大的航空公司，我們跟他們長期有合作的關(guān)系，到了澳洲以后大部分客戶也跟著我們到澳洲一起來參加3D打印的研究。在材料研究當(dāng)中，3D打印只不過是加工工藝的一種，其實跟鑄造和鍛造或者是焊接都有重要的應(yīng)用方向和價值。所以長期以來在材料結(jié)合過程當(dāng)中，3D打印是我們必須研究的過程。莫納什增材制造中心已經(jīng)培養(yǎng)了上百個博士生，過去七八年大概有3000萬澳元的經(jīng)費。
   
目前有一個比較大的項目，是澳大利亞國家的一個項目，這個項目主要是從基礎(chǔ)研究向成果轉(zhuǎn)換的項目，這里面有工業(yè)界，主要由賽峰集團跟我們一起研究發(fā)動機里面的材料問題。
   
這個中心做3D打印應(yīng)該是很多年前了，從2004年我在為羅羅（音譯）公司工作的時候，就用3D打印進行密封圈的維修，這個技術(shù)進行了批產(chǎn)，在纖維激光還沒有完全形成的時候，用二氧化碳激光已經(jīng)做到了非常精確的應(yīng)用。
   
這個中心在過程中也取得了一些成績，最重要的是2014年，我們有四個發(fā)動機靜止構(gòu)件通過了實驗，那個時候在賽峰集團還是一個非常重要的成績，那個時候給我們發(fā)了一個創(chuàng)新一等獎，這對他們來講也是一個里程碑。
   
為了更好的為工業(yè)界服務(wù)，也是幫助賽峰批量化生產(chǎn)，2016年我們跟賽峰集團形成了批量化生產(chǎn)的戰(zhàn)略合作關(guān)系，包括我們?yōu)橘惙寮瘓F提供所有的技術(shù)支持和設(shè)備，在院內(nèi)進行批量化3D打印發(fā)動機的構(gòu)件。
   
今天我主要講的是粉末床的工藝，把粉末鋪在機器上激光來掃，激光在熔化金屬過程當(dāng)中會首先熔化這個金屬，這個金屬會固化，這個冷卻過程是一個非常快速的過程，這個過程是非平衡狀態(tài)，非平衡狀態(tài)導(dǎo)致了材料形成的組織結(jié)構(gòu)是非常細(xì)小的，而且所有材料都含有大量的殘余應(yīng)力。

在莫納什大學(xué)研究過程當(dāng)中，所有的研究，包括了整個3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的研究，從前面粉末的開始，首先我們要知道幫助客戶研究什么樣的粉末是可以的，什么樣的是不可以的，這里面包括了粉末的循環(huán)，就是循環(huán)多少次可以再使用，如何鑒定粉末的質(zhì)量，最后還存在如何降低粉末的成本。第二是進行拓?fù)鋬?yōu)化，這個優(yōu)化不僅僅把一個形狀優(yōu)化出來，最重要在高溫高運力情況下，優(yōu)化的所有產(chǎn)品都要保證所有性能一致，包括拉伸性能，更主要是疲勞的性能，這里面存在非常復(fù)雜的優(yōu)化和認(rèn)證工作。工藝的優(yōu)化是什么呢？取決于所有的材料，在跟激光結(jié)合的時候究竟產(chǎn)生什么樣的組織結(jié)構(gòu)，有沒有裂紋。這是非常重要的，首先要產(chǎn)生一個完美的結(jié)構(gòu)，后面才能產(chǎn)生后處理。實際上真正要達到產(chǎn)品的性能，所有的3D打印構(gòu)件都需要進行熱處理，這個熱處理是真正材料學(xué)的處理，要對材料非常明白，根據(jù)這個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的要求，在不同情況下選擇不同的組織結(jié)構(gòu)，才能真正進行3D打印最后的熱處理。最后從我們打印的構(gòu)件來講，表面已經(jīng)成了我的構(gòu)件的一部分，所以表面光潔度非常差，如何提高表面光潔度，對于它的壽命是有直接影響的。所以這也是一個非常重要的部分。南極熊3D打印網(wǎng)編輯發(fā)布。
   
前面講演者都沒有提到缺陷的檢測，我相信一會兒GE專家會講到缺陷檢測問題，缺陷是非常重要的一個方面。缺陷的檢測，就是在直接個性化的產(chǎn)品當(dāng)中如何進行缺陷的檢測，這個檢測不光是要檢測，而且要降低成本的情況下如何去實現(xiàn)，實際上也是一個非常重要的問題。最后是如何通過適航認(rèn)證，醫(yī)療要通過認(rèn)證，國際航空也要通過認(rèn)證，國際航空只有一個國際標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)是應(yīng)該的，也是非常難做到的。

   

根據(jù)我剛才講的順序簡單介紹一下我做的工作。在優(yōu)化過程當(dāng)中，剛才提到了拓?fù)鋬?yōu)化，現(xiàn)在市場上也有各種各樣的軟件，舉一個例子，在商業(yè)的軟件有的時候并不具備3D打印的過程，這是一個發(fā)動機轉(zhuǎn)子，如果我想把這個做出來減重的話，首先要了解它在做什么，這個粉末要導(dǎo)出來就要開一個洞，這個洞開在什么地方對它的壽命會有影響。我們大學(xué)合作進行了六七年的工作，開發(fā)了這么一個軟件，通過這個軟件我們設(shè)計了發(fā)動機的轉(zhuǎn)子，今年3月通過了發(fā)動機的實驗，它的標(biāo)準(zhǔn)是7萬轉(zhuǎn)，我們通過了84000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動。標(biāo)志著3D打印究竟能不能用于轉(zhuǎn)動構(gòu)件重要的里程碑，也是我們上限的標(biāo)準(zhǔn)。這點我們已經(jīng)證明了，確實可以做到。
   
我剛才提到，在進行工業(yè)優(yōu)化的時候，我們針對每一個成分都需要工藝的優(yōu)化，這個優(yōu)化第一步就是參數(shù)的優(yōu)化，這個參數(shù)包括激光功率、掃描速度、掃描間距這一系列的參數(shù)，要進行優(yōu)化，從而使得整個產(chǎn)品做出來是一致的，這樣才能保證大的構(gòu)件做出來以后是平穩(wěn)的，更重要的是機器性能是一樣的。

   

這里演示一下，如果我打印的參數(shù)不好，有的時候就會出現(xiàn)空洞，你可能會講我就挑最慢的速度，保證100%致密的，但是最慢的速度就影響到生產(chǎn)力的問題，所以這里面就要平衡，根據(jù)生產(chǎn)的要求選擇一個最佳的參數(shù)。
   
剛才提到后處理的問題，后處理是非常復(fù)雜的，是真正的材料學(xué)的問題。怎么去后處理它？這也是根據(jù)產(chǎn)品的要求，有的時候有一些客觀的供應(yīng)商的要求，一般來說我要100%的致密，有的時候可能會采取一些手段，有的用戶就說不行，我要排一年隊去做，我不能接受，而且會增加費用。所以這里面會存在一些協(xié)調(diào)和平衡，要去跟用戶結(jié)合。

我們采取熱處理的原因目的是什么？是改變它的組織結(jié)構(gòu)，第一是提高性能，第二是根據(jù)構(gòu)件的要求，有的構(gòu)件要求強度，有的要求疲勞，有的要求高溫熔煉，所以從材料來講，就是根據(jù)組織結(jié)構(gòu)不一樣滿足各個材料構(gòu)件的要求、性能的要求。組織結(jié)構(gòu)不一樣，就像花紋不一樣，做出來的耐磨性、耐久性不一樣。
   
再講一下3D打印中材料常見的問題。鎳基合金按照現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)去買材料，你買出來的粉末三批出來的結(jié)果完全不一樣，有的是開裂的，有的不開裂，開裂的時候有的是長裂紋，有的是短裂紋，這意味著以前定的標(biāo)準(zhǔn)用于鑄造或者鍛造來講，這個標(biāo)準(zhǔn)各個元素對于快速冷卻的敏感性不一樣，對開裂的敏感性也不一樣。只有真正明白了各個元素對它的敏感性以后，重新在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)下再加載一個標(biāo)準(zhǔn)，才真正適合3D打印，它并沒有走出現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，只是適合3D打印的成分范圍要比鑄造范圍要窄很多。

   

剛才提到粉末的問題，大家覺得現(xiàn)在做粉末的非常多，誰都來做粉末，都可以拿來做3D打印，只要裝在機器都可以用。實際上完全不是這樣，講一個簡單的例子，如果粉末的尺寸大小分布不一樣，有的是0—50微米的，有的是10—50微米的粉，要求的參數(shù)不一樣，同一個參數(shù)做出來的密度也不一樣。所以我們選擇粉末的時候，一旦想真正做產(chǎn)品，必須要有一個粉末的規(guī)范，不可以隨便變。

   

剛才還提到后處理的問題，很多人說后處理就是把常規(guī)的鑄造件或者鍛造的后處理拿來，直接應(yīng)用于3D打印，實際上是完全不現(xiàn)實的。為什么呢？首先材料快速冷卻之后組織結(jié)構(gòu)是不平衡的狀態(tài)，而且是非常非常細(xì)小的組織結(jié)構(gòu)。如果我要想恢復(fù)到原來的組織結(jié)構(gòu)性能，首先要求你的溫度時間都不一樣。還有一個，我們現(xiàn)在處理的是一個構(gòu)件，而不光是一個塊狀的材料，這個構(gòu)件有的時候有不同的厚度，比如發(fā)動機厚度有的2毫米厚，有的30毫米厚，在我們處理材料的時候，處理2毫米的條件和處理30毫米的條件不一樣�，F(xiàn)在在同一個構(gòu)件里面，現(xiàn)在處理只能是同一個條件，為了最后各個部門都達到了性能的要求我們做了150種實驗，才真正能夠把工藝條件優(yōu)化出來，各個地方滿足性能的要求。這里面還有非常復(fù)雜的問題，包括殘余率的消除，還有自然時效的問題，每一個熱處理做完之后放幾分鐘、幾天、幾個月都不一樣，你后面再怎么處理？所以所有的問題都必須要全部解決以后，才能真正找到一個優(yōu)化的后處理的工藝。

在3D打印當(dāng)中，我們發(fā)現(xiàn)最難的材料都是高強的材料，同樣都是問題，這里講一個高強的鎳基合金和高強的鋼，都有同樣的問題，直接3D打印的時候會開裂，尤其是在鎳基合金當(dāng)中，強化項超過46%的材料都會開裂。這個開裂基本上溫度可以加到200度是不是就能夠解決問題呢？實際上也不能解決問題，這實際上是一個非常復(fù)雜的問題，目前在我們中心經(jīng)過了非常仔細(xì)的、復(fù)雜的研究，最后我們終于把這個問題解決了，保證這個材料在3D打印當(dāng)中不開裂，這在世界上還是唯一的。這里面包括了所有材料里面各個元素的影響，包括形狀的影響，這個材料是用于發(fā)動機葉片的，你可以做出來1毫米厚的時候全都開裂，做10毫米厚的時候全不開裂，所以這里面有形狀的影響。當(dāng)然還有加工工藝條件的影響，所以是一個非常復(fù)雜的過程。
   
為了完成這個任務(wù)，除了要考慮我們剛才說的這些問題，實際上更重要的是需要計算機的模擬，這個模擬必須要真實的模擬，這里一定要模擬它的非平衡狀態(tài)的固化，才能真正把這個問題解決，當(dāng)然還有一系列材料的參數(shù)。所以我們在做計算機模擬的時候，有9個不同的條件都必須考慮進去，最后才能真正把溫度場和溫度梯度以及殘余率分布計算出來，才能最后找到一個最佳的加工工藝，就是在什么情況下做出來不開裂。當(dāng)然有了這個基礎(chǔ)知識之后，就可以應(yīng)用到其他的鎳基合金中去。

     

在研究工藝的過程中我們也研究材料，研究新的材料，就是哪些材料利用3D打印快速冷卻的過程，如何研究適合3D打印的材料。我們研究了兩個材料，一個是高強鋁合金，紅線是指現(xiàn)在我們研究出來的高強鋁合金，這個材料可以使用到250度高溫，所有的鋁合金目前都是使用于100度以下，有了250度的高溫，在發(fā)動機前端以前是用鈦合金的現(xiàn)在可以用鋁合金代替，可以進一步降低重量。一般的鋁合金，現(xiàn)在市場上所有的鋁合金屈服最高是280左右，一般260度左右，這個強度是580，比它高一倍，而且這個材料有非常好的特點，就是它的后處理非常簡單，前面所有的都需要三步后處理，這個材料需要一步后處理就可以達到這樣好的性能。
   
我們研究這個材料的時候也是有原因的，當(dāng)時我們的客戶賽峰集團給我們提出來這個要求，他希望有代替發(fā)動機前端的鈦合金應(yīng)用，所以給我們提出來這樣一個要求，我們就根據(jù)250度使用的情況，在這個溫度下材料的強化機理是什么，通過這個強化機理配置相應(yīng)的元素，再來形成這么一個合金。我們也知道，形成一個合金有的時候可能需要幾十年，但是我們一旦理解了它的強化機理在配置這個合金的時候，整個合金研發(fā)只花了12個月時間。所以真正做材料的研究，如果你了解了材料機理以后，實際上研究新的材料并不難。
   
我們還研究了一個高強的鈦合金，鈦合金一般屈服強度850左右，塑性大概10%，這已經(jīng)有幾十年。在這么多年情況下，實際上鈦合金的研制是非常緩慢的，就是因為后面再研究什么新的鈦合金都已經(jīng)非常困難了。我們研究的鈦合金還有一個特殊的用途，這個鈦合金除了3D打印以外更重要的是根據(jù)鈦合金鉚釘研制的，鉚釘研制實際上最難，這個材料性能經(jīng)常是矛盾的，要三個性能同時增加是非常困難的。我們了解了這個材料的機理情況下，改變了所有材料晶界結(jié)構(gòu)，使得三個性能同時提高，這在學(xué)術(shù)上來講也是一個非常大的成功。

   

下面我簡單介紹一下3D打印國際適航上的工作。2012年科技部邀請我回來建立了飛而康，一直是生產(chǎn)鈦合金粉，為了提高鈦合金粉的質(zhì)量我們做了很多細(xì)致的工作，這個粉包括3D打印工藝，最后達到了國際航空標(biāo)準(zhǔn)，裝到了C919飛機上。大概有29個構(gòu)件，通過3D打印的工藝達到國際航空標(biāo)準(zhǔn)，這在中國可能還是唯一的，在這個過程當(dāng)中大家也問我，你究竟做什么樣的工作能夠達到國際航空標(biāo)準(zhǔn)？我們做了10.5噸的材料，做了非常多的實驗，最后證明這個材料是可靠的才用到了民用飛機，生產(chǎn)的時候必須是天天一樣的，年年一樣的，25年都一樣的，才真正能夠達到民用航空的標(biāo)準(zhǔn)。
   
（PPT圖示）這是一些構(gòu)件，大部分是在飛機門上面的。這個工作做完了以后，現(xiàn)在莫納什大學(xué)也跟商飛簽署了戰(zhàn)略性合作，我們幫助商飛培養(yǎng)一些3D打印的人才，進一步幫他們做一些研發(fā)工作。

   

3D打印未來發(fā)展什么樣呢？在所有3D打印客戶當(dāng)中，尤其是航空界，現(xiàn)在最大的問題是打印效率，如何降低成本的問題，這個成本如果要EOS，折舊費占60%，為什么有這么大的成本，不是說EOS機器特別貴，這是次要的，更重要的是機器的效率不適合3D打印批量化生產(chǎn)，這些機器是研究用的機器。研究用的機器，說明里面很多待機時間很長，浪費的時間很長，所以要想降低成本，必須要把這些問題解決。航空客戶給我們提出這個問題來，通過最近兩年的努力，我們重新研發(fā)了一個3D打印的機器，這個機器目前叫AmPro SP，這個機器的效果，能夠使3D打印構(gòu)件成本降低80%。
   
我們在提供機器的同時，現(xiàn)在設(shè)計的是整套的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括粉末的前處理，包括3D打印和粉末后處理，無論在航空也好、醫(yī)療也好，其實真正要達到一致性重復(fù)性的批量化生產(chǎn)，首先粉末必須是一致的，后面循環(huán)過程當(dāng)中也不能帶進來污染。所以我們現(xiàn)在研發(fā)了一整套裝置，前面粉末的前處理，保證所有的粉末進到3D打印之前必須是完全一致的，而且所有的裝粉的裝置有一個二微碼，這個二微碼使得所有粉末的歷史可以在計算機輸入，可以永遠保持它的歷史，可以保持25年。后面我會講到在粉末循環(huán)過程當(dāng)中如何保證干凈。
   
經(jīng)過非常復(fù)雜的分析和設(shè)備的對比，根據(jù)我們的機器，我們的工藝，我們可以把生產(chǎn)構(gòu)件單價成本跟EUS相比降低82%左右。這里面還有航空質(zhì)量的控制技術(shù)問題，粉末從開始到最后是不見空氣的。另外在3D打印當(dāng)中有一些煙的問題，這個煙對我們來說就是氧化物，這個氧化物掉到粉末是污染，對壽命是有影響的。所以如何除煙我們請了專家做了大量計劃和模擬，最后選擇一個最佳的除煙的裝置，來控制除煙的效果，達到艙內(nèi)是非常干凈的。當(dāng)然還有工藝優(yōu)化的問題，如何把3D打印參數(shù)全部官屬到機器里面，使得處理完了一次全部就能達到性能的要求。
   
我們打印完了之后，尤其是大的構(gòu)件要處理里面殘余的粉非常困難，發(fā)動機里面有很多管道，為了處理殘留的粉一般來說有兩個工人，一個人提著，另外一個人用高壓槍去吹，吹的滿天都是粉末，這個不符合要求的。我們研制了兩個輔助設(shè)施，把這個構(gòu)件裝到這個盒子里面，同時裝了氣槍，根據(jù)材料的要求可以360度旋轉(zhuǎn)，把殘留的粉末清除。以前清楚這些大的構(gòu)件的時候，要三四天才能把這里面清干凈，現(xiàn)在有了這個裝置之后10分鐘把所有殘余粉清理干凈。所以也是3D打印輔助的設(shè)備，尤其這個設(shè)備可以為其他的兄弟廠設(shè)備配套。兩個設(shè)計不一樣，因為大的構(gòu)件平衡是非常困難的，因為我們的構(gòu)件做出來有時候上噸重，它需要更好的平衡。最小的250X250，我們就設(shè)計了非常漂亮的粉末的除粉裝置，它跟機器上的鉚釘都是配套的，直接裝進去就可以使用。所有粉也是在非常保護的、安全的情況下進行的回收，后面就可以重復(fù)使用。

   

整個公司除了提供機器設(shè)備以外還提供材料，我們也幫助客戶建一些生產(chǎn)線，包括3D打印的實驗室或者粉末的生產(chǎn)線，從醫(yī)療的產(chǎn)品方面我們也做了醫(yī)療產(chǎn)品，這些產(chǎn)品當(dāng)然跟九院比相差非常遠。但是從材料來講，我們更注重于材料方面，使得它能夠滿足國際醫(yī)療的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)然從航空來講，我們不斷努力跟客戶合作。

   

目前3D打印只會向前，不會往后。這不光是一個政治性的原因，而是整個世界已經(jīng)意識到3D打印的價值。在這個價值當(dāng)中，我們也意識到3D打印又有自身的局限性，但是它也有非常大的優(yōu)點，只是在于我們?nèi)绾稳ラ_發(fā)適合3D打印的應(yīng)用市場和領(lǐng)域，因為有的地方可能覺得3D打印不適合，不適合的就不要去強求，但是3D打印有它的特點，它一定會繼續(xù)往前走，而不會倒退，所以這點是不可分辨的。真正成功的3D打印應(yīng)用，我們應(yīng)用到最后的時候都在于性能，這個材料構(gòu)件沒有性能是沒有辦法應(yīng)用的，真正的性能都在于基礎(chǔ)研究，一定要有基礎(chǔ)研究，尤其是有材料研究的支撐，沒有這個支撐最后只是一個形狀而已。所以一定要用好材料基礎(chǔ)的研究，不是等到后來，今天在座的大部分是搞材料的人，實際上這就是我們的本質(zhì)工作。
   
今天我簡單介紹了一下3D打印材料研究的范圍，謝謝大家。