王华明院士:《大型金属构件增材制造技术对重大装备结构、材料和制造业的影响》

近日，王华明院士在科创中国举办的《院士开讲》栏目中开展了《大型金属构件增材制造技术对重大装备结构、材料和制造业的影响》主题演讲。

王华明院士主要分享了两类金属增材制造技术，一类是基于铺粉工艺的粉末床选区熔化技术；另一类为基于同步送粉/送丝工艺的技术，热源可采用高功率激光、电子束、电弧、等离子，对原材料进行逐层熔化，这类技术可用很快的速度制造大型金属零件，例如飞机起落架、飞机钛合金大型构件。

在演讲中，王华明院士着重介绍了如何通过增材制造技术制造重大装备中的大型金属构件，以及这种技术对重大装备结构、金属材料及重大装备制造业可能会带来的影响。本期，3D科学谷将分享王华明院士演讲的主要内容。

©《院士开讲》

重大装备关键构件

制造重大装备的其中一个关键环节是制造关键受力构件，这是重大装备制造的基础，也反映了一个国家综合实力的体现。

例如制造飞机中的钛合金框，如果用传统方法，需要用冶金工业炼出合金的铸锭，然后进行锻造，在锻造中需要大型锻造机和大型模具，锻造之后还需要进行大量的加工。

王华明院士仍以飞机钛合金框举例。一个锻件可能有三吨重，在后续加工环节中，约95%的材料将被加工去除。而钛合金是一种昂贵的材料，此过程将造成材料成本的浪费，并需要大量加工时间。在传统冶金重大装备制造模式下，制造这样的大型构件成本是很高的，性能也未必很好。

未来重大装备的发展趋势包括，尺寸更大，性能要求更高，装备的服役条件将更加恶劣，对于装备的可靠性也要求越来越高，寿命要求越来越长，但成本还要求降低。这样的需求是很严酷的。

©《院士开讲》

重大装备的关键受力构件一般来说是金属。随着未来对于性能要求的提高，未来金属材料的化学成分会更复杂，合金化程度会很高，零件越来越大，结构越来越复杂。制造昂贵高合金化材料的大型零件将面临着挑战。用更低的成本，很快的速度去制造高合金化的大型构件是一种存在矛盾的需求。

大型构件增材制造

对于金属材料而言，如果晶粒很小、化学成分均匀，晶粒之间没有空隙，则金属材料的强度将会很高、塑性及耐蚀性也会很好。然而一旦涉及到大金属零件的加工，则易发生冷却速度慢，晶体粗，化学成分不均匀，零件不致密等问题。因此在制造大零件时还需在铸造后采取锻造做为补救措施。但是大型零件的锻造也是个复杂过程。

总体而言，传统大金属零件冶金工艺已经到达了天花板。例如，目前世界上最大的钛合金模锻件为5平米，超过5平米时即使是用八万吨的水压机，压力也是不够的。如果体现在飞机制造中，飞机自身的重量占整个起飞重量的百分数，称为“飞机的结构重量系数”。过去七十年，没有一架飞机的结构重量系数低于27%，就是受制于大型构件的性能和大型构件的制造能力。

增材制造是金属材料制造的一种手段。王华明院士讲解了增材制造技术怎样制造大型构件，以及该技术为飞机轻量化制造带来的新机会。

通过激光、等离子束、电子束等作为能量源的增材制造技术能够逐层的熔化材料。以激光增材制造为例，当材料熔化后，冷却速度很快，例如以每秒50万度或60万度的速度冷却，此时金属结晶出来的晶体非常细，化学成分均匀，这一过程是用微区的冶金取代传统锻造冶金，在几十小时内，无需模具即制造出净近成型的大零件，然后经过少量加工得到最终零件。

增材制造-3D打印将粉末或丝材，通过熔化过程完成合金化，完成凝固，完成材料的制备，材料制备出来时已经制造成为了复杂的零件。从这个意义上来说，增材制造技术通过材料快速凝固、逐层冶金，突破传统材料冶金的天花板，制造高性能大零件。在此过程中不再需要传统的冶金装备，只需要打印设备及控制微区冶金、控制固态相变的核心工艺，从而保证打印出质量稳定的零件。

增材制造技术的挑战

目前，增材制造技术的优点与难度、挑战是并存的。那么，将增材制造技术应用于制造重要装备大型构件的瓶颈在哪里呢？王华明院士谈到了以下几点需要解决的基本问题。

首当其冲是打印过程中由于长时间的极端加热和冷却带来了非常大的热应力。

这其中的基本规律是零件越大，变形就越大，当变形到一定程度，就会产生应变。根据胡克定律，就会产生应力，应力达到一定程度将导致零件开裂。因此，如何控制打印过程中的热应力，如何避免变形或开裂，是金属增材制造大零件制造的难题。克服这些问题，需要对极端的非线性、极端的非定常进行深入研究，才有可能解决大型零件的变形或开裂问题。

第二个挑战是，打印过程中如何通过逐层打印控制冶金，控制凝固，控制固态相变，从而让零件不产生缺陷，让晶体尺寸、化学成分、晶粒去向可控，达到良好品质。

业界的观点通常认为，3D打印技术中材料非常重要，但并不是指粉末、丝材原材料，而是增材制造工艺成型出来的材料。如果这一过程无法得到控制，则无法得到品质合格的零件，也无法将该技术用于制造关键构件。怎样控制缺陷，缺陷对性能有什么影响，是需要深入研究的问题。

第三个挑战是，怎样保证工艺过程的稳定，将工艺过程变成工程上可以稳定生产的大型装备。

第四个挑战是，需要大量的应用研究，建立相应的技术标准。标准是应用的通行证，只有这些工作完成后，才可能走向应用。

此外还需要考虑价格性能比。

增材制造对重大装备制造的影响

王华明院士还分享了增材制造技术对于未来重大装备制造带来的影响。

第一个方面，理论上零件的大小、尺寸、形状不再受制约，增材制造技术将会改变未来装备的结构，也许还会改变未来装备的性能，带来装备技术水平的提升。

©《院士开讲》

例如，显著减少飞机的零件数量，减少飞机自重。王华明院士展示了2007年增材制造的钛合金构件，构件性能得到提升。还展示了增材制造的拓扑优化高强度飞机关键承力结构。

©《院士开讲》

第二个方面，在打印过程中可以逐点、逐层的改变任何部位的化学成分，也可以控制打印过程中每一点的温度，控制组织结构。从这个意义上来说，增材制造是一种突破传统冶金天花板的特殊冶金工艺。通过快速凝固能够做出特殊材料，让制造变得更简单，而且无论零件的薄厚程度，没有壁厚效应，没有位置效应，任何部位可重复、可设计。

第三个方面， 发展全新一代金属材料。3D打印过程能够将传统上无法熔在一起的材料熔化在一起，将性质相差大的材料，例如将铜和钨熔化，变成钨铜溶液。

还可以通过严格控制每一点的温度、每一点的冷却速度，每一点的加热条件，做到精确可控，例如熔池的两种结晶方式：在冷却速度超高的条件下定向凝固，长出柱状晶；或通过控制，生长出晶体非常细小的等轴晶，甚至还可以在打印中通过工艺控制让一部分晶体长不大，让另一部分晶体连续生长，得到像钢筋混凝土一样的材料。典型应用包括制造航空发动机叶盘。

此外，增材制造有助于实现装备的小批量快速研制与生产。快速制造出大型、复杂的装备零件。也许未来装备都将是个性化的、小批量的。

增材制造是一种制造技术，也是一种材料技术。王华明院士认为，现阶段这一技术在制造钛合金等昂贵材料的大型零件领域，与传统技术相比具有明显优势。换言之，制造螺纹钢、螺丝钉等众多简单零件，则传统方法具有优势。整体而言，现阶段越大、越复杂、性能要求越高的金属零件，越适合采用增材制造-3D打印技术。

关于未来的方向，王华明院士团队希望增材制造过程中极端的冶金条件能够发展出基于微区冶金、快速凝固的新一代金属材料，而不是将这项技术用来制造传统零件、传统材料。王华明院士还希望装备设计师能够将材料、功能、制造融为一体，获得功能超常的变革性结构。

当然，要实现以上目标，增材制造技术是基础，需要解决在极端非平衡条件下的力学问题、材料问题。这一切需要业界潜下心来，开展大量细致、深入的研究。这些研究既是制造技术的前沿，更是材料科技的前沿，需要开展的工作仍然很多。

从这个意义上来讲，用增材制造技术去服务重大装备制造，制造重大装备中的高性能材料、大型构件，前途是光明的，但仍需要将其优势发挥出来，做大量的研究、积累。

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