王華明院士:高性能大型關鍵金屬構件增材制造技術及其對重大裝備制造業(yè)的影響

2018年1月5日，由上海市增材制造協(xié)會支持的、中國航天科工集團和哈爾濱市人民政府主辦的首屆中國（哈爾濱）航空航天3D打印材料及應用制備技術博覽會暨高峰論壇在哈爾濱盛大開幕，在會上北京航天航空大學王華明院士做了《高性能大型關鍵金屬構件增材制造技術及其對重大裝備制造業(yè)的影響》的主題報告。

王華明院士表示，3D打印是在計算機技術發(fā)展起來以后的一種數(shù)字制造技術，把三維的事情當成二維來做，一層一層的做。3D打印技術帶來的最大的顛覆首先是改變結構，就是原來我們設計出來的結構，可以有非常好的結構，但是我們受傳統(tǒng)的制造技術的制做不出來，現(xiàn)在它是一層一層的往上去做，真正改變的是結構，設計師們應該更多的了解這個技術。這樣一系列帶來的變化，可能是原來一架飛機需要3萬個零件，現(xiàn)在可能變成300個零件，原來一架飛機如果說它的載重量是60噸，有可能有一天載重量還是60噸，這個飛機的自重就變成50噸了。這是帶來結構的變革。

第二，它會變革材料。也就是說在3D打印過程當中，我們可能會合成制備出一些傳統(tǒng)方法制備出來的材料，尤其是金屬材料，可能也是這樣。
第三，它對制造技術帶來的一個變化，材料、結構和制造自身。3D打印，如果說按照材料來分，相對比較簡單，一類就是打印是非金屬的，一類是打印金屬的。當然還有一種就是所謂生物3D打印，在他看來生物3D打印跟增材制造沒有關系，它只是為培養(yǎng)生物組織提供了一種手段，這種生物組織就是靠培養(yǎng)出來的，是靠細胞的分裂生長出來的，并不是打印出來的，所以本身它是屬于生命科學范疇的事兒。3D打印一個是打印金屬，一個是打印非金屬。

王院士所在的國家工程實驗室一直是致力于重大裝備高性能的大型關鍵構件的3D打印，是其實驗室主要的方向。 用3D打印這種方法去做重大裝備當中的大型關鍵金屬構件有哪些問題，它有非常非常好的優(yōu)點，但是它還面臨非常嚴峻的挑戰(zhàn)。其實需要做大量的工作。為什么我們選大型關鍵構件這個領域作為3D打印的目標呢？是因為重大裝備當中這些大型關鍵構件制造是非常困難的，用傳統(tǒng)的做法那就是重工業(yè)，就是中國一重、中國二重干的事�，F(xiàn)在有了3D打印，有可能做一些大型構件就會變得比較簡單，例如從零件的數(shù)模，只要是高能量的熱源去熔化凝固，可能非常短的時間就出來一個很精的毛坯，這個周期就會非常的短。它不僅僅是說周期短，也不僅僅說是節(jié)省材料，也不僅僅說節(jié)省模具，也不僅僅說節(jié)省重型的工業(yè)基礎設施。

在他看來它非常重要的一個環(huán)節(jié)，是可以在打印過程當中制備出高性能的材料，同時把材料的制造和結構的制造一起完成，后面這些事情3D打印的這種優(yōu)點，就是說節(jié)省模具、材料、加工、快速反應。它有非常多的優(yōu)點，但是這些優(yōu)點要變成現(xiàn)實還有很大的困難。真正要解決大型關鍵構件的3D打印，并且實現(xiàn)工程應用還面臨很多的挑戰(zhàn)。這是實驗室過去做的一部分零件，如起落架和發(fā)動機的整體葉盤等鈦合金構件，在現(xiàn)階段技術條件下，除了3D打印還沒有其他的方法能把這么大的鈦合金構件能夠做出來。這個挑戰(zhàn)在哪兒呢？我們不管是通過送粉送絲等的手段，怎么能夠控制打印過程當中，讓零件不變形，不開裂，零件越大，變形開裂的趨勢會越大，做大型零件會非常困難，這是一個永恒的主題，大家不要認為3D打印什么都能干，一旦零件打大了以后是打不出來的，裝備可以做很大，但是你做不出來，這是需要做大量的研究。

第二，材料�，F(xiàn)在大家都誤解，認為是粉末，認為是絲材，那個東西是原料，真正是打印過程通過已經重新出來的零件，這個東西才是材料。這個材料在打印過程當中如何控制讓它不產生缺陷，如何控制它的結晶，讓它的形態(tài)能夠受控制。如果這個過程得不到控制，最終出來的性能是不行的。也就是說，如果性能不行，至少用做關鍵的受力的組成構件是不可以的，這個過程毫無疑問不是傳統(tǒng)的凝固，它是在激光快速的加熱，快速的冷卻，不均勻條件下的凝固，固態(tài)相變，這個過程毫無疑問，這是必須要有的過程。剛才講的如何在打印過程當中控制熱應力，工藝過程的控制，發(fā)展出大型的裝備，使這個技術能夠走向工程應用，建立相應的標準體系。沒有這些東西一個新的技術不可能走向應用，在他看來是這個
技術要發(fā)展，要面臨的問題。
第三，裝備。從2006年到現(xiàn)在，裝備已經走向了系列化，走向了工程化生產。

第四， 標準�，F(xiàn)在大家都說沒有3D打印的標準，從粉末到工藝，到裝備，到質量控制，到超聲波檢驗，一直到最后的產品，其實2005年開始已經走向了工程應用，但是不是拿到這個標準就能做出這個東西。經過這么多年的努力，發(fā)展了自己的3D打印的工藝，自己的裝備，自己的標準體系，使這個技術能夠走向工程應用，當然這個過程是產學研緊密結合的一個結果。有很多零件，在國家的一些重大裝備當中，還是發(fā)揮了不可替代的一個作用。這是一個副產品，2009年的時候C919的機頭是雙曲面的，這個零件大概用傳統(tǒng)的方法去做，可能模具費，一套模具20萬美元，要把零件干出來至少得兩年，零件可能會非常非常貴。我們當時用3D打印大概55天4個框，所有的費用加起來大概不到120萬，連模具費的十分之一都不到，這也是一個奇跡，非�？斓臅r間。

2010年也做過一件事情，嚴格意義上說，其實這是世界上第一次在民用飛機里面大型關鍵的構件用上了3D打印。3D打印出來的大概也就136公斤，會節(jié)省大量的材料，節(jié)省大量的加工，而且加工變形會很小。當然費用還低，性能還高。重量減輕70%。這么復雜的構件，傳統(tǒng)的方法沒有任何一種方法能夠做出這樣的零件，現(xiàn)在3D打印就成為它的唯一的方案，這個方案帶來的效果一架飛機減重250公斤，高強的鈦合金，它的強度高，密度還大，還貴，還特別硬，特別難加工�，F(xiàn)在我們發(fā)展出自己全新的3D打印鈦合金的材料，減少30%以上的加工時間，飛機上這些材料都被這種新材料取代掉。飛機的起落架組成的構件非常大，使用的材料為超高強度鋼，這類應用體現(xiàn)了3D打印的優(yōu)勢。3D打印技術毫無疑問對航空發(fā)展是非常重要的。

這種技術對重大裝備制造業(yè)會帶來什么影響？他認為會帶來變革性的影響，是變革材料的引進，可以做到對整個零件不同的部位逐點可控，可設計，零件是500毫米厚，還是700毫米厚，可以做到性能和組織結構一樣，3D打印可以做到，某種意義上就擺脫了傳統(tǒng)的引進對材料制備，包括材料的設計和構件成型原理性的制約，這將是顛覆。航空發(fā)動機最重要的零部件就是渦輪葉片，定向凝固技術，業(yè)態(tài)金屬冷卻，溫度梯度可以做到每厘米200度，這種情況做出來無論葉片是什么樣的，就是這樣的，疏松嚴重，偏析嚴重，枝晶粗大。這是沒有辦法解決的。現(xiàn)在3D打印可能就會帶來變革。這是1989年做的激光增材制造，微細定向柱晶。這種零件用傳統(tǒng)的任何方法是出不來的，這就是變革材料。

例如鈦合金的整體葉盤，可以做到柱狀晶、等軸晶，現(xiàn)在為止全世界誰也不能做到讓鈦合金定向凝固，如果把它稱之為鋼筋混凝土，有的鈦合金是柱狀晶，有的鈦合金是等軸晶。我們可以控制這個鋼筋間距和它的大小，就是它可以變成很多用傳統(tǒng)方法做不出來的材料。

這種變革制造技術，舉一些例子，未來裝備要么是極大，要么是極小，我們是瞄著極大，未來裝備肯定都是越來越大，性能越來越高，這些對3D打印來說是很好的事情。舉一個小例子，像大發(fā)動機的風扇，如果要變成一個整體的風扇葉盤，用傳統(tǒng)的方法鍛造一個直徑超過3.5米的鈦合金，再加工成這么一個零件，代價會很高，用3D打印這會變得很容易的一件事情。這是材料、影響、結構、制造，另外也會帶來制造模式的變革，以后的工廠不是現(xiàn)在的工廠。

不是像現(xiàn)在新聞媒體去炒作，現(xiàn)在一些公司去通過融資，就是去做一個題材作為炒作，我認為任重道遠，現(xiàn)在更多的不是做3D打印在炒作，實際上是沒有核心技術的。不做材料，不做工藝，不做長期的研究，不考量，偷一點技術，挖兩個人，挖兩個工人，玩兩天，三天以后就沒戲了。3D打印不是說所有的材料做大型構件，不是所有的材料都適合，也不是所有的構件它都適合�？赡苓@些材料越貴，像鈦合金，材料越貴，材料越難加工，而且材料還要有可塑性，用這些材料去做什么構件呢？如果做這么小一個構件，這么簡單的構件，傳統(tǒng)方法會比你便宜得多，也會比你好得多，沒有必要。去做什么構件呢？尺寸非常大，結構非常復雜，性能要求非常高的這些東西，節(jié)省的材料、節(jié)省的周期、節(jié)省的成本、性能在提升，這些東西放在一塊，我認為這是它最大的優(yōu)勢。

不管你做出來再好，如果沒有性能的優(yōu)勢，沒有價格的優(yōu)勢，不可能有應用價值。
王院士表示只要金屬還在，這就是永恒的主題和永恒的方向，也許不會再用激光了，也許也不會再用電子束，但是總歸這是一個基本的手段，這是一個永恒的主題，這突破了傳統(tǒng)金屬材料的瓶頸學制約，3D打印僅僅是他們一個方向，在新材料、表面工程，也是做的非常努力的一個方向。

來源：SAMA國際論壇