金属3D打印或引发重大装备生产模式变革 _凝固

【金属3D打印或引发重大装备生产模式变革】增材制造（又称3D打印）技术，是一种通过简单二维逐层增加材料直接实现三维复杂结构制造的数字化、智能化、低成本、短周期先进制造的技术。它突破了传统零件成形和加工制造技术的原理限制，从理论上来讲，不依赖于传统工业基础设施，仅仅通过简单的“二维数字打印”就可以直接制造出任意内部结构和外形、几何尺寸的高性能三维复杂结构。
正因为相较于传统成形制造技术的变革性优势， 3D打印技术成为当前装备先进制造、结构设计和新材料等技术领域的热点方向，欧美等发达国家纷纷将其列入国家发展战略。而金属3D打印技术属于3D打印技术中的一个重要分支，其对高性能金属构件的制造有着重要的推动作用。作为制造工业及国防重大装备大型关键承力结构的主体，高性能金属构件的制造将在这场制造业变革中出现怎样的创新？金属3D打印技术又将如何实现广泛应用？就此，采访人员采访了中国工程院院士、大型金属构件增材制造国家工程实验室主任、北京航空航天大学教授王华明。发挥新技术“随心所欲”优势采访人员：金属可以说是日常生活中最常见的材料之一，就您的了解，传统金属制造技术还存在哪些关键性的制约问题？王华明：由于相对非金属材料具有特殊优势，金属被广泛应用于重大装备的大型关键承力结构中。但大型铸锭面临着晶粒粗大、组织疏松、化学成分偏析严重、塑性成形加工性能差等问题，会影响大型金属构件成形制造能力和构件性能。可以认为，在过去几十年间，大型金属构件制造能力和性能水平实际上没有飞跃性进展。采访人员：业内普遍认为3D打印技术将引发一场制造业的变革，您觉得金属3D打印技术将如何摆脱传统制造的原理性制约？王华明：金属3D打印技术拥有超高温、强对流的“微区超常冶金”特点，而且能使金属的凝固冷却速度高达数十万摄氏度/秒，具有“激冷快速凝固”的特点。这两种特点的结合可以使金属3D打印技术彻底摆脱传统大型铸锭熔铸和锻造的原理性制约，使增材制造大型/超大型、复杂/超复杂金属构件具有晶粒细小、成分均匀、结构致密的快速凝固组织，并能方便地合成制备出传统冶金制备技术无法制备的新一代金属结构新材料。利用金属3D打印技术制造的构件，其内部质量、晶粒结构、微观组织及性能，不仅不受零件尺寸、壁厚、位置的影响，而且在金属构件逐层熔化、逐层凝固的3D打印过程中，还可以“随心所欲”地控制3D打印合金熔池的熔体冶金状态、凝固冷却速度、温度梯度等金属结晶条件及固态冷却等过程中的3D打印环境物理、化学条件，实现对零件不同部位材料的化学成分、晶粒尺寸、形态和取向以及微观结构的主动控制，充分发挥不同材料的性能优势，取长补短地把不同材料“按需设计” ，定制于零件的不同部位，使增材制造梯度金属材料构件具有单一材料无法具备的特殊性能。采访人员：能否请您具体谈谈，金属3D打印技术将对日常生活产生怎样的影响？王华明：就飞机制造来说，目前一架大型客机的机体结构零件数量数以万计。未来如果利用金属3D打印技术生产大型、复杂、整体、高性能、轻量化构件，一架大型飞机的机身结构零部件数量可能仅需数百个，可变革性地降低飞机自身结构重量。而且，在传统情况下，飞机生产需要国家强大的重工业能力支撑，设计时间少则5年、多则十几年。而将来利用金属3D打印技术配合模拟仿真技术，可能会使飞机的研制生产周期呈现数量级降低。若能充分发挥金属3D打印技术低成本、短周期、数字化、智能化的优势，或将对未来重大装备的高性能金属结构材料制备技术、高性能大型复杂整体关键金属构件制造技术、结构设计技术，甚至对装备生产模式产生变革性影响。还需在多方面实现突破采访人员：正如您所说，金属3D打印技术确实具有很多传统制造技术无法比拟的优势，但从现实生活来看，这些优势似乎还未发挥出来，在重大装备研制和生产中的推广应用还不多。为推动广泛应用，我国还应在哪些方面着力？王华明：金属3D打印技术的未来发展和在重大装备中的作用，取决于对金属增材制造过程中关键科学与合金技术等基础问题的研究水平。目前金属3D打印技术主要有“粉床选区熔化”技术和送粉/送丝“熔化沉积”技术两类。 “粉床选区熔化”技术适合小型、复杂构件的制造，但如果想在装备制造中获得大量应用，就必须在工艺、设备、材料、质量性能控制等方面有重大突破，彻底解决打印零件尺寸受限、打印效率低、零件质量性能差、零件价格超高等瓶颈问题，否则该技术只能局限在很有限的特殊装备制造中。而“熔化沉积”技术虽然适合重大装备大型关键承力构件的制造，但其技术难度更大。因此，深入研究熔化沉积打印过程中的熔池冶金、凝固、热物理、固态相变等超常材料制备与成形基础问题，发展高效、高精度、高性能大型关键金属构件增材制造技术，研发基于增材微区冶金的新一代高性能金属结构新材料，是该技术的重要发展方向。（原载于《前沿科学》2019年第4期，内容有删减）

金属3D打印或引发重大装备生产模式变革

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