王華明院士：金屬3D打印或引發(fā)重大裝備生產(chǎn)模式變革

增材制造（又稱3D打印）技術(shù)，是一種通過簡單二維逐層增加材料直接實現(xiàn)三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造的數(shù)字化、智能化、低成本、短周期先進(jìn)制造的技術(shù)。它突破了傳統(tǒng)零件成形和加工制造技術(shù)的原理限制，從理論上來講，不依賴于傳統(tǒng)工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，僅僅通過簡單的“二維數(shù)字打印”就可以直接制造出任意內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形、幾何尺寸的高性能三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

正因為相較于傳統(tǒng)成形制造技術(shù)的變革性優(yōu)勢，3D打印技術(shù)成為當(dāng)前裝備先進(jìn)制造、結(jié)構(gòu)設(shè)計和新材料等技術(shù)領(lǐng)域的熱點方向，歐美等發(fā)達(dá)國家紛紛將其列入國家發(fā)展戰(zhàn)略。而金屬3D打印技術(shù)屬于3D打印技術(shù)中的一個重要分支，其對高性能金屬構(gòu)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(jié)構(gòu)件，技術(shù)源于王華明院士

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

發(fā)揮新技術(shù)“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(shù)還存在哪些關(guān)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(yīng)用于重大裝備的大型關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)中。但大型鑄錠面臨著晶粒粗大、組織疏松、化學(xué)成分偏析嚴(yán)重、塑性成形加工性能差等問題，會影響大型金屬構(gòu)件成形制造能力和構(gòu)件性能。可以認(rèn)為，在過去幾十年間，大型金屬構(gòu)件制造能力和性能水平實際上沒有飛躍性進(jìn)展。

問：業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為3D打印技術(shù)將引發(fā)一場制造業(yè)的變革，您覺得金屬3D打印技術(shù)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(shù)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(dá)數(shù)十萬攝氏度/秒，具有“激冷快速凝固”的特點。這兩種特點的結(jié)合可以使金屬3D打印技術(shù)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(fù)雜/超復(fù)雜金屬構(gòu)件具有晶粒細(xì)小、成分均勻、結(jié)構(gòu)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(shù)無法制備的新一代金屬結(jié)構(gòu)新材料。

南極熊配圖：王華明(右二)和團(tuán)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)

利用金屬3D打印技術(shù)制造的構(gòu)件，其內(nèi)部質(zhì)量、晶粒結(jié)構(gòu)、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(gòu)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(jié)晶條件及固態(tài)冷卻等過程中的3D打印環(huán)境物理、化學(xué)條件，實現(xiàn)對零件不同部位材料的化學(xué)成分、晶粒尺寸、形態(tài)和取向以及微觀結(jié)構(gòu)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(shè)計”，定制于零件的不同部位，使增材制造梯度金屬材料構(gòu)件具有單一材料無法具備的特殊性能。

問：能否請您具體談?wù)�，金�?D打印技術(shù)將對日常生活產(chǎn)生怎樣的影響？

王華明：就飛機(jī)制造來說，目前一架大型客機(jī)的機(jī)體結(jié)構(gòu)零件數(shù)量數(shù)以萬計。未來如果利用金屬3D打印技術(shù)生產(chǎn)大型、復(fù)雜、整體、高性能、輕量化構(gòu)件，一架大型飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)零部件數(shù)量可能僅需數(shù)百個，可變革性地降低飛機(jī)自身結(jié)構(gòu)重量。而且，在傳統(tǒng)情況下，飛機(jī)生產(chǎn)需要國家強大的重工業(yè)能力支撐，設(shè)計時間少則5年、多則十幾年。而將來利用金屬3D打印技術(shù)配合模擬仿真技術(shù)，可能會使飛機(jī)的研制生產(chǎn)周期呈現(xiàn)數(shù)量級降低。

若能充分發(fā)揮金屬3D打印技術(shù)低成本、短周期、數(shù)字化、智能化的優(yōu)勢，或?qū)�對未來重大裝備的高性能金屬結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù)、高性能大型復(fù)雜整體關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)，甚至對裝備生產(chǎn)模式產(chǎn)生變革性影響。

還需在多方面實現(xiàn)突破

問：正如您所說，金屬3D打印技術(shù)確實具有很多傳統(tǒng)制造技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢，但從現(xiàn)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(chǎn)中的推廣應(yīng)用還不多。為推動廣泛應(yīng)用，我國還應(yīng)在哪些方面著力？

王華明：金屬3D打印技術(shù)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(guān)鍵科學(xué)與合金技術(shù)等基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)件，技術(shù)源于王華明院士

目前金屬3D打印技術(shù)主要有“粉床選區(qū)熔化”技術(shù)和送粉/送絲“熔化沉積”技術(shù)兩類�！胺鄞策x區(qū)熔化”技術(shù)適合小型、復(fù)雜構(gòu)件的制造，但如果想在裝備制造中獲得大量應(yīng)用，就必須在工藝、設(shè)備、材料、質(zhì)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(zhì)量性能差、零件價格超高等瓶頸問題，否則該技術(shù)只能局限在很有限的特殊裝備制造中。

而“熔化沉積”技術(shù)雖然適合重大裝備大型關(guān)鍵承力構(gòu)件的制造，但其技術(shù)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(chǔ)問題，發(fā)展高效、高精度、高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)，研發(fā)基于增材微區(qū)冶金的新一代高性能金屬結(jié)構(gòu)新材料，是該技術(shù)的重要發(fā)展方向。

（原載于《前沿科學(xué)》2019年第4期，內(nèi)容有刪減）