南京航空航天大學(xué)教授顧冬冬：航空航天高性能輕合金構(gòu)件激光增材制造形性調(diào)控

2019年9月19-21日，IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇將在西安高新國際會議中心舉辦。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打�。┛萍紕�(chuàng)新的開放合作共享交流平臺，匯聚全球頂尖的增材制造（3D打�。╊I(lǐng)域成果及人才，促進(jìn)行業(yè)各環(huán)節(jié)、產(chǎn)業(yè)鏈的銜接融合。南極熊作為戰(zhàn)略合作媒體，到西安現(xiàn)場全程報道。

2019年9月 20 日“增材制造技術(shù)與航空航天論壇”，南京航空航天大學(xué)教授顧冬冬做了主題是《航空航天高性能輕合金構(gòu)件激光增材制造形性調(diào)控》的報告。

下面是現(xiàn)場速記：
非常榮幸有這次機(jī)會和大家交流一下我們南航的團(tuán)隊在航空航天高性能輕合金構(gòu)件上的一些工作，我們在高校做增材制造的研究，我們的工作更加的偏向于技術(shù)成熟度在4和5之前的一些工作，今天和大家匯報一下。

首先是簡要的背景，增材制造是美國、中國關(guān)注的技術(shù)，各個國家對這個技術(shù)有一些布局，從我們高校落說，我們是國家自然科學(xué)委員會對這個基礎(chǔ)領(lǐng)域有布局，力求獲得新原理、新工藝、新方法，這個技術(shù)是世界各國競相發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)。

我們看增材制造，盡管它在大眾媒體上紛繁復(fù)雜，面向激光的增材制造主要表現(xiàn)出這兩類發(fā)展技術(shù)，并且呈現(xiàn)兩種不同的發(fā)展方向。第一種是面向大型構(gòu)件制造的激光熔化沉積的LMD技術(shù)，第二個就是面向精密構(gòu)件，選區(qū)激光熔化SLM技術(shù)，有利于支撐精密的構(gòu)件，激光技術(shù)這兩類增材制造技術(shù)，它是提升航空航天領(lǐng)域設(shè)計和制造能力的重要技術(shù)手段。

今天早上從8點(diǎn)到現(xiàn)在，我們在樓上舉行增材制造設(shè)計的高校組競賽，我們看到是現(xiàn)在越來越多把設(shè)計和增材制造相互結(jié)合起來。我們來看一下面向大型構(gòu)件成型的激光熔化沉積技術(shù)，它是在傳統(tǒng)的激光熔覆技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，可以做大型的構(gòu)件，也可以做修復(fù)再制造、表面涂層制備和再制造等等，由于成型原理，它需要一些后續(xù)的機(jī)加工。

第二類是金屬構(gòu)件激光增材技術(shù)SLM技術(shù)，激光自動鋪粉的選區(qū)激光熔化技術(shù)，厚度20—50微米，可以做一些相對精度比較高的構(gòu)件。這樣一個基于粉倉法的技術(shù)，有它的發(fā)展淵源，最早是由美國Texas大學(xué)Austin分校發(fā)明的，戴維現(xiàn)在還很活躍，美國增材制造路線圖主要的起草人，2005年之后我們發(fā)現(xiàn)激光技術(shù)有一個長足的發(fā)展，特別那個時候有光纖激光器了，研發(fā)金屬構(gòu)件的成型，快速把SLM技術(shù)轉(zhuǎn)移到德國一系列公司，德國技術(shù)的源泉更多是來自FLT

我們來看一下，如果從過去選區(qū)激光燒結(jié)到熔化，雖然只是一個字母的差別，背后的成型機(jī)理是完全不一樣，2004年的時候用選區(qū)激光燒結(jié)做工業(yè)成態(tài)，那時候沒有很高的工業(yè)激光器，表面是非常粗糙的，有很多孔隙率，2010年我們用工業(yè)激光熔化來做，表面是非常致密，而且故，金屬粉末經(jīng)過連續(xù)熔化的過程，所以性能提升是非常顯著的。

我們來看增材制造，國內(nèi)中國的術(shù)語起得特別好，就是增材制造，每個字都對應(yīng)了一個非常好的科學(xué)的內(nèi)涵，我們講這個增字就是如何一層一層往上堆積，講材料就是材料的設(shè)計，談到制造就是結(jié)構(gòu)和性能，貫穿其中的一定是基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)科學(xué)，增材制造材料結(jié)構(gòu)性能一體化是我們經(jīng)常說的一句話，增材制造科學(xué)內(nèi)涵本身決定材料性能結(jié)構(gòu)一體化。

我們看一下目前我們的一些工作，比如說增材制造的結(jié)構(gòu)和性能做了哪些呢？現(xiàn)在特別在航空航天的應(yīng)用驅(qū)動體下，這些多孔點(diǎn)陣材料獲得了非常大的應(yīng)用，同時引入了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，這樣可以減重，最重要我們把以前很多組件變成整體的構(gòu)件，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)減重、內(nèi)力分布更加合理化，最終提高使用壽命，現(xiàn)在通過拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化和高性能是現(xiàn)在增材制造發(fā)展一個非常重要的方向。

同時講材料可以發(fā)現(xiàn)，它的進(jìn)步非常明顯，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在增材制造使用材料的熔點(diǎn)在不斷在提升，伴隨著熔點(diǎn)提升，材料加工的難度在不斷增加，如果我們能被這樣一些難加工材料進(jìn)行非常好的增材制造，它所獲得性能的提升更加顯著，不管怎么樣，特別是對于這些難加工的材料，它的增材制造非常依賴于對材料組織和空間布局的宏、微觀的跨尺度的調(diào)控。

我們學(xué)校也在國家航空航天這個領(lǐng)域，目前我們在全球這樣一些比較知名的航空航天企業(yè)，他們做的工作我們做了認(rèn)真的梳理，借此機(jī)會和大家分享一下，比如先談ANSA，ANSA是一個非常雄心勃勃的一個組織，比如說現(xiàn)在NASA在空天制造上做了非常多、非常前沿的工作，它現(xiàn)在已經(jīng)把3D打印送到他們的空間站，現(xiàn)在我們國家也再做，NASA已經(jīng)在行動了。比如說利用這樣一些太空織物，就是把難加工材料以及面向金屬的增材制造相互結(jié)合，可以做這樣一些太空的紡織織物，說白了就是整體構(gòu)件柔性的成型。一些面向空天探索，比如空天探測器的車輪，發(fā)射之前可以重疊，到空間可以展開，可以節(jié)約空間，他們做了很多的一些工作。

和NASA相對應(yīng)，我們看看ZASA的戰(zhàn)略，他們強(qiáng)調(diào)綠色可持續(xù)，他們比較看中有效、低碳的制造，做了很多工作，他們在未來月球基地的打印上走得很靠前，月壤、火壤的配方我們國家都知道，如何如何在空天實(shí)現(xiàn)打印，我覺得最好的方法就是就地取材，我們現(xiàn)在可能這樣一些就地取材的打印，可能會在比較遙遠(yuǎn)的未來，但是現(xiàn)在在地球上可以非常好的來了解地球的土壤、火星的土壤到底是什么成分，至少在地球上實(shí)現(xiàn)對于難加工材料的打印，未來月球基地的建設(shè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計也是需要的，能承受一定惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常重要，ZASA做了納微性框架，國內(nèi)也在做，典型的整體化結(jié)構(gòu)的制造，還包括一些燃燒室的典型構(gòu)件。

GE增材是非常雄心勃勃的企業(yè)，在軍事、醫(yī)療、能源領(lǐng)域一系列的布局都有非常好的布局，大家看這樣一個動的小結(jié)構(gòu)，大家現(xiàn)在都在打，但是它的確代表了一個方向，未來打印出來的一個構(gòu)件，它本身是可以實(shí)現(xiàn)一個機(jī)構(gòu)的打印，這個就非常重要，不僅僅是一個靜態(tài)的零件。GE為什么雄心勃勃呢？它在自己的打印設(shè)備上，特別是它材料研發(fā)上做了大量的工作，包括自己還做了一些軟件，一個企業(yè)如果雄心勃勃發(fā)展3D打印，這樣一些全鏈條式的布局還是很重要的，包括GE的陶瓷機(jī)輔材，我們在文獻(xiàn)報道和媒體報道聽到很多，這樣的陶瓷機(jī)輔材如何制造它還是很有難度，這些難加工材料必將成為下一代增材制造非常重要應(yīng)用的對象。

諾瑪（音）公司是非常低調(diào)的公司，但是它在增材制造做了非常大的布局，它實(shí)際上在整體大型的金屬構(gòu)件，包括一些難加工材料，無論是激光還是電子束做了大量的一些工作，他們是屬于做得很多，宣傳很少的公司。

西門子，我們跟西門子有很強(qiáng)的合作關(guān)系，西門子在面向燃?xì)廨喥鞯母邷夭牧系拇蛴∩�，他們走的還是非常靠前，無論在德國本土還是歐洲其他國家的布局做了很多相關(guān)的工作，其實(shí)就是說我們現(xiàn)在面向高溫合金，我們在國內(nèi)核心就是718、625，相對而言這兩類高溫合金還是比較容易成型的，如果我們再來看更多的高溫合金，它還有很多裂紋敏感性等等一系列都會成為問題，高溫合金以后服役溫度提升，一定要在625、718常用的高溫合金基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升。

波音公司雖然是一個商業(yè)化的公司，但是做了非常多、非常有趣的工作，有一個例子，打印出世界上最輕的結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)放在蒲公英上面都可以放得住，非常好的體現(xiàn)了大型的商業(yè)公司在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域做的一些工作，這個是非常有意思，現(xiàn)在它整體的布局包括金屬的打印，還包括一些鈦纖維增強(qiáng)的輔材料的打印，還包括混合3D打印，什么是混合3D打印？在打印的同時把電子元器件同時集成進(jìn)去，就是功能驅(qū)動的3D打印，這些他們都走得非�？壳啊�

空客這些報道大家一定不會陌生，你每次坐空客飛機(jī)商務(wù)艙和經(jīng)濟(jì)艙中間有一塊就是這個結(jié)構(gòu)，這個用（英）打，歐盟對國內(nèi)禁用，國內(nèi)做了類似于這個合金體系，對于這個材料體系我個人是比較看好的，未來如果替換鋁硅鎂，未來可以用這個材料替換，這是我個人的一個觀點(diǎn)，可以進(jìn)一步的商討。

我們現(xiàn)在南航，我所在的江蘇省高性能金屬構(gòu)件激光增材制造工程實(shí)驗(yàn)室，是江蘇省發(fā)改委給我們支持的一個實(shí)驗(yàn)室，我們那會還不叫3D打印，還是叫快速成型，2009年我在德國研究所做了兩年多的工作，后回國，其實(shí)我在2012年發(fā)表國際材料評論綜述，我們可以體會到我們這個行業(yè)發(fā)展得特別快，我這篇綜述現(xiàn)在已經(jīng)有接近900次引用了，說明了增材制造這些年發(fā)展非�？臁�

2017年江蘇省發(fā)改委成立了這樣一個工程實(shí)驗(yàn)室，去年我們拿到江蘇省一等獎，我們團(tuán)隊主要是做高性能金屬材料的激光增材制造，我們做市面上商業(yè)化沒有的一些粉末，我們調(diào)控激光生產(chǎn)制造工藝，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜構(gòu)件的成型，對于噴粉的方式我們標(biāo)準(zhǔn)的是內(nèi)壁難加工的一些成型。

這一張片子是我在2016年的時候科學(xué)通報應(yīng)用版寫了一篇展望，我做了一點(diǎn)思考，可以和大家探討，我覺得材料是有多樣性，傳統(tǒng)在選材基礎(chǔ)上設(shè)計一個結(jié)構(gòu)，然后用3D打印工藝做出來，最后獲得一定的性能，但是傳統(tǒng)的方法是被動的實(shí)現(xiàn)一個性能，選材、再設(shè)計、再加工，最后獲得一個性能，但是這個性能獲得是被動的，未來我們要主動的實(shí)現(xiàn)這個性能，我們要獲得什么性能和功能，自己主動設(shè)計結(jié)構(gòu)、材料也去設(shè)計，甚至我們所需要獲得的功能或者性能的本身也需要設(shè)計，未來的發(fā)展一定是反過來的，就是性能驅(qū)動的一個主動實(shí)現(xiàn)的過程。

美國增材制造的路線圖說材料性能，基于設(shè)計方法學(xué)材料性能一體化，都人為設(shè)計它。特別是對于增材制造，增材制造實(shí)際上是一個典型的跨尺度的一個研究，比如說我們?nèi)パ芯窟@個構(gòu)件組織，它一般是微觀尺度，同時我們?nèi)パ芯克�的力學(xué)性能，更多是一個宏觀尺度，在這中間我們經(jīng)常要問答一個問題，比如說我們用金屬粉末，金屬粉末是如何吸收激光能量的，這就是典型的借光尺度的問題，它完全是一個跨尺度的工作。

特別是增材制造在材料領(lǐng)域，我們來看一下德國，德國在過去十年在設(shè)備上做了大量的布局，我們團(tuán)隊參加了德國基金會一個項目，研究下一代的增材制造材料，它在重大專項里面，1300萬歐元的項目中布局下一代增材制造的材料，德國人的布局可以給我們非常好的啟示，設(shè)備研發(fā)到達(dá)一定階段，緊接著一定是材料和工藝。我們在基金委的機(jī)械工程學(xué)科拿，我們從高校做研究的角度講，基礎(chǔ)創(chuàng)新，我們在目前這個階段，考慮未來10年內(nèi)需要用什么材料，我們嘗試把這個作為定義的發(fā)展過程。比如說現(xiàn)在我們站在使用角度的講，做難加工的材料是增材制造非常重要的應(yīng)用對象，比如說鈦鋁合金，高裂紋敏感性的問題解決了，其他鋁合金的裂紋就不是問題，比如說鎂合金，雖然說鎂合金的設(shè)備歐盟對我們禁運(yùn)的，但是粉體對我們不禁運(yùn)，鎂合金做血管支架和生物融入體，它的降解能力強(qiáng)，人體可以吸收，對我們禁運(yùn)最主要的原因，鎂合金會成為下一代高速飛行器一個非常好的侯選材料。

這個是德國激光所面向鎂合金的打印，其實(shí)鎂合金打印還是很危險的，我在南航一直想弄一臺鎂合金的設(shè)備，我到現(xiàn)在還沒有下定決心，特別是北交大發(fā)生了鎂粉的事故，還是比較危險的，一定要防止它的爆炸。鎳鈦合金是面向4D打印智能金屬材料是非常好的應(yīng)用的對象。在未來如果我們做發(fā)展材料，肯定是多材料的打印。我記得這句話是2016年參加基金為雙青論壇的時候，我想出來的一個詞，我正在聽一首歌曲，我想出這么一個口號，這一定是未來做增材制造非常好的，我們當(dāng)時也嘗試翻譯它，正確的材料放在正確的位置，后來想想材料沒有正確與否的區(qū)別，后來我們又說把合適的材料放在合適的位置，但是沒有說出原汁原味的感覺，在報告中我們用的還是英文，就是Right  Materials  in  Right  Postiol（音）。

科學(xué)這篇報道非常典型的多材料的應(yīng)用，依賴于宏微觀非常精準(zhǔn)的調(diào)控。如何推開3D打印的限制，自然13年就有了文章，怎么推開3D打印限制，他當(dāng)時提出向自然界借材料，突出生物仿生，我們現(xiàn)在突出很多結(jié)構(gòu)的設(shè)計，其實(shí)自然界有上億年進(jìn)化優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，可以給我們提供非常多的靈感，你探索自然和科學(xué)上的報道，世界上3D打印模仿最多的一種結(jié)構(gòu)就是蜘蛛網(wǎng)，這句話是我總結(jié)的，結(jié)構(gòu)是容易仿制的，但是用增材制造做它很難，最難的是里面的科學(xué)問題，昨天王院士在這個講臺上給我們說基礎(chǔ)研究很重要，也很難，我非常認(rèn)同，比如說我們做這個增材制造，要想材料結(jié)構(gòu)性能一體化有賴于非常多基礎(chǔ)問題的解決。

我介紹一下目前和航空航天結(jié)合比較多的材料，比如鋁硅輔材，鋁硅我們用了好多年，09年10年我們在激光壓成的時候做了大量鋁硅實(shí)驗(yàn)性能的研發(fā)，然后我們發(fā)現(xiàn)它的性能提升有瓶頸，它要突破350兆帕很難，我們提出來用陶瓷增強(qiáng)它，我們做了非常多的陶瓷。但是如何來優(yōu)化這個陶瓷在金屬粉末里面的配比，包括它的分布，我們做了大量的模擬工作，一個最直白的問題就是加進(jìn)去陶瓷之后，這樣的鋁合金顆粒復(fù)合顆粒對激光如何吸收，且借光尺度的模擬工作，我們經(jīng)常講熔池行為，熔池本身如何形成也有科學(xué)問題，我們把這個工作再往前推一步，就是這個顆粒是如何吸收這個激光能量的，我們做了相關(guān)的工作，同時用試驗(yàn)證實(shí)它。我們再從基礎(chǔ)研究角度講，經(jīng)常形成孔隙和裂紋，熔體對基體沒有很好的潤蝕性，我們嘗試揭示熔體如何潤蝕性的機(jī)體，這里實(shí)際上對粉末置備的要求很高，包括一些變形機(jī)制我們要解釋，我們做了微米尺度、我們又做了納米尺度的，做了非常多的工作，我們現(xiàn)在整體在優(yōu)化的參數(shù)情況下，可以獲得一個復(fù)合結(jié)構(gòu)。

同時，我們研究了加進(jìn)去納米陶瓷之后，到底是怎么影響機(jī)器的，我們發(fā)現(xiàn)加入一些納米陶瓷是非常顯著影響硅的分布，納米陶瓷加進(jìn)去以后，通過改變機(jī)體的組織最終影響它的性能，通過EBSD，我們發(fā)現(xiàn)和自然那篇文章非常類似的工作，加進(jìn)去納米陶瓷項之后，可以變成非常稀有的等軸金，它發(fā)表之后我們可以找到很多共通的地方，特別是理念上的共通，我覺得對性能提升是非常有好處的�，F(xiàn)在對加工完的輔材，性能比沒有增強(qiáng)的鋁硅材料有一個非常明顯的提升，而且提升是非常明顯的，我們做了很多典型的構(gòu)件，這樣管路、框體的。

第二個就是高強(qiáng)稀土改性的鋁合金，我們現(xiàn)在做了大量的研究工作。這個材料很難，當(dāng)我們第一次把這個粉末拿到手，我覺得這個粉末應(yīng)該很好，球形度很好，往設(shè)備一倒像面團(tuán)一樣，我說趕緊停下來，不可能做起來，對于粉末我們?nèi)绾翁幚硭�，我們積累了很多經(jīng)驗(yàn)，現(xiàn)在我們可以很好打印一些高強(qiáng)鋁合金，鋁鎂的合金，鋁鎂這個材料通過原位吸收項起到強(qiáng)化的作用，我們揭示鋯和鈧這些元素，利用高分辨的定律去揭示它。大家去買鋁鎂粉末，現(xiàn)在市面上也有商業(yè)粉末賣，為什么有的粉末是一千塊錢一公斤，有的材料是三千塊錢一公斤，取決于稀土元素的含量，低抗含量和高抗含量都可以打印起來，這是像圖本身決定的，但是性能本身有差異，而且我們發(fā)現(xiàn)這個材料的打印必須要結(jié)合后面的后處理的，特別是通過后續(xù)的處理，可以使性能有顯著的提升，我們做了大量打印的試驗(yàn)，這是今年上半年我們做的一些結(jié)果，我們基于這些標(biāo)準(zhǔn)做的結(jié)果，這些結(jié)果現(xiàn)在還是挺好的，鋁鎂這個原始的延伸強(qiáng)度是350兆帕左右，延伸率提升23%到25%，后續(xù)熱處理強(qiáng)度達(dá)到500兆瓦以上，13—15%的延伸率是鋁硅的兩倍以上，這個才來未來非常重要，關(guān)鍵我們發(fā)現(xiàn)這個材料耐腐蝕性特別好，我們做了大量的工作，工作都已經(jīng)發(fā)表了，腐蝕性能很好。

我簡要的介紹一下我們課題組開展的高強(qiáng)鋁基輔材和鋁合金方面開展的工作，對于未來我做出一些個人的思考，不一定對，我跟大家分享一下，以激光熔化來舉例，07年德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所ILT獲得SLM全球發(fā)明專利，13年大量氫氧化的結(jié)構(gòu)，性能的提升，那時候提出控性，更唱的未來，未來新材料、新結(jié)構(gòu)、高性能、多功能一定是一個發(fā)展的方向，特別是對于新材料的研發(fā)，往往強(qiáng)調(diào)復(fù)合材料、多材料的設(shè)計，其實(shí)我們?nèi)タ纯纯茖W(xué)的一些工作，去看看中國科學(xué)院院士寫了一篇展望，就提出要解決傳統(tǒng)金屬材料的一些缺點(diǎn)的話，我們要強(qiáng)調(diào)復(fù)合材料和多材料的設(shè)計，盧院士看得非常之遠(yuǎn)。

新結(jié)構(gòu)這個也非常重要，我們也去嘗試，就像第一個例子我已經(jīng)講了，自然2013年就說如何推廣3D打印，強(qiáng)調(diào)生物仿生，2016年這篇文章也給我們非常多的啟示，這個打印的零件是一個鎳合金，金屬邊上兩個變形的行為表現(xiàn)為非常好的超彈性，為什么會有這個超彈性，就是大跨尺度設(shè)計，它不是一個常用的名稱，我們常用的是跨尺度，現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)是大跨尺度，實(shí)現(xiàn)從最小的支撐單元到宏觀尺寸六個七個數(shù)量級大跨尺度結(jié)構(gòu)，一定會引起性能和功能突破性的變化。

最終，現(xiàn)在我們講的很多的金屬都是高性能的金屬或者合金或者復(fù)合材料，現(xiàn)在我覺得比較重要的還有功能性。大家在高校工作的很多人都知道，我們創(chuàng)辦了一個期刊是《增材制造》，這個影響因子已經(jīng)達(dá)到7了，這篇文章就是這個主編寫的，高進(jìn)程3D打印提升構(gòu)建了功能性，發(fā)在科學(xué)上，未來更多的要強(qiáng)調(diào)功能的打印，盧院士在中國工程院創(chuàng)刊號發(fā)了這樣一篇文章，我是逐字逐句讀了好幾遍，建議大家讀這個綜述，這個寫得非常好，非常高屋建瓴，增材制造一定從控形到整體制造，同時微納尺度拓展實(shí)現(xiàn)更多的功能性，未來增材制造強(qiáng)調(diào)整體結(jié)構(gòu)以及多功能的復(fù)合。

總結(jié)一下，增材制造創(chuàng)新要素有多相材料的設(shè)計，大跨尺度的新結(jié)構(gòu)，還有激光增材制造的精準(zhǔn)調(diào)控，這里有很多挑戰(zhàn)也值得我們進(jìn)一步深入的研究，這是我一個簡要的匯報，這是我的聯(lián)系方式，謝謝大家！