南京航空航天大學教授顧冬冬：航空航天高性能輕合金構件激光增材制造形性調控

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域成果及人才,，促進行業(yè)各環(huán)節(jié)、產業(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“增材制造技術與航空航天論壇”,，南京航空航天大學教授顧冬冬做了主題是《航空航天高性能輕合金構件激光增材制造形性調控》的報告,。

下面是現(xiàn)場速記：
非常榮幸有這次機會和大家交流一下我們南航的團隊在航空航天高性能輕合金構件上的一些工作，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,、中國關注的技術，各個國家對這個技術有一些布局,，從我們高校落說,，我們是國家自然科學委員會對這個基礎領域有布局，力求獲得新原理,、新工藝,、新方法，這個技術是世界各國競相發(fā)展的關鍵核心技術,。

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

今天早上從8點到現(xiàn)在，我們在樓上舉行增材制造設計的高校組競賽,，我們看到是現(xiàn)在越來越多把設計和增材制造相互結合起來,。我們來看一下面向大型構件成型的激光熔化沉積技術，它是在傳統(tǒng)的激光熔覆技術基礎上發(fā)展而來的,，可以做大型的構件,，也可以做修復再制造、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)的機加工。

第二類是金屬構件激光增材技術SLM技術,，激光自動鋪粉的選區(qū)激光熔化技術,，厚度20—50微米，可以做一些相對精度比較高的構件,。這樣一個基于粉倉法的技術,，有它的發(fā)展淵源，最早是由美國Texas大學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)金屬構件的成型，快速把SLM技術轉移到德國一系列公司,，德國技術的源泉更多是來自FLT

我們來看一下,，如果從過去選區(qū)激光燒結到熔化，雖然只是一個字母的差別,，背后的成型機理是完全不一樣,，2004年的時候用選區(qū)激光燒結做工業(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,，國內中國的術語起得特別好，就是增材制造,，每個字都對應了一個非常好的科學的內涵,，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計,，談到制造就是結構和性能,，貫穿其中的一定是基礎理論和基礎科學，增材制造材料結構性能一體化是我們經常說的一句話,，增材制造科學內涵本身決定材料性能結構一體化,。

我們看一下目前我們的一些工作，比如說增材制造的結構和性能做了哪些呢,？現(xiàn)在特別在航空航天的應用驅動體下,，這些多孔點陣材料獲得了非常大的應用，同時引入了拓撲優(yōu)化設計,，這樣可以減重,，最重要我們把以前很多組件變成整體的構件，特點是結構減重,、內力分布更加合理化,，最終提高使用壽命，現(xiàn)在通過拓撲優(yōu)化結構實現(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在不斷在提升,，伴隨著熔點提升,，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,、微觀的跨尺度的調控,。

我們學校也在國家航空航天這個領域，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真的梳理,，借此機會和大家分享一下，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合,，可以做這樣一些太空的紡織織物,，說白了就是整體構件柔性的成型。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,，我們看看ZASA的戰(zhàn)略,，他們強調綠色可持續(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，至少在地球上實現(xiàn)對于難加工材料的打印，未來月球基地的建設,，結構設計也是需要的,，能承受一定惡劣環(huán)境的結構設計非常重要，ZASA做了納微性框架,，國內也在做,，典型的整體化結構的制造，還包括一些燃燒室的典型構件,。

GE增材是非常雄心勃勃的企業(yè),，在軍事、醫(yī)療,、能源領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構，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件，它本身是可以實現(xiàn)一個機構的打印,，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的陶瓷機輔材,，我們在文獻報道和媒體報道聽到很多,，這樣的陶瓷機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用的對象,。

諾瑪（音）公司是非常低調的公司,，但是它在增材制造做了非常大的布局，它實際上在整體大型的金屬構件,，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的合作關系,，西門子在面向燃氣輪器的高溫材料的打印上,，他們走的還是非�,？壳埃瑹o論在德國本土還是歐洲其他國家的布局做了很多相關的工作,，其實就是說我們現(xiàn)在面向高溫合金,，我們在國內核心就是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上進一步提升,。

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構,，這個結構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)公司在基礎研究領域做的一些工作，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的輔材料的打印，還包括混合3D打印,，什么是混合3D打�,。吭诖蛴〉耐瑫r把電子元器件同時集成進去,，就是功能驅動的3D打印,，這些他們都走得非常靠前,。

空客這些報道大家一定不會陌生,，你每次坐空客飛機商務艙和經濟艙中間有一塊就是這個結構，這個用（英）打,，歐盟對國內禁用,，國內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,，可以進一步的商討,。

我們現(xiàn)在南航，我所在的江蘇省高性能金屬構件激光增材制造工程實驗室，是江蘇省發(fā)改委給我們支持的一個實驗室,，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)在已經有接近900次引用了,，說明了增材制造這些年發(fā)展非常快,。

2017年江蘇省發(fā)改委成立了這樣一個工程實驗室,，去年我們拿到江蘇省一等獎，我們團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,，我們調控激光生產制造工藝，實現(xiàn)復雜構件的成型,，對于噴粉的方式我們標準的是內壁難加工的一些成型,。

這一張片子是我在2016年的時候科學通報應用版寫了一篇展望，我做了一點思考,，可以和大家探討,，我覺得材料是有多樣性，傳統(tǒng)在選材基礎上設計一個結構,，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)的方法是被動的實現(xiàn)一個性能,，選材,、再設計、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現(xiàn)這個性能,，我們要獲得什么性能和功能,，自己主動設計結構、材料也去設計,，甚至我們所需要獲得的功能或者性能的本身也需要設計,，未來的發(fā)展一定是反過來的，就是性能驅動的一個主動實現(xiàn)的過程,。

美國增材制造的路線圖說材料性能,，基于設計方法學材料性能一體化,，都人為設計它。特別是對于增材制造,，增材制造實際上是一個典型的跨尺度的一個研究,，比如說我們去研究這個構件組織，它一般是微觀尺度,，同時我們去研究它的力學性能,，更多是一個宏觀尺度，在這中間我們經常要問答一個問題,，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域，我們來看一下德國,，德國在過去十年在設備上做了大量的布局,，我們團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,，設備研發(fā)到達一定階段，緊接著一定是材料和工藝,。我們在基金委的機械工程學科拿,，我們從高校做研究的角度講，基礎創(chuàng)新,，我們在目前這個階段,，考慮未來10年內需要用什么材料，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,，雖然說鎂合金的設備歐盟對我們禁運的,，但是粉體對我們不禁運，鎂合金做血管支架和生物融入體,，它的降解能力強,，人體可以吸收,，對我們禁運最主要的原因，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）,。

科學這篇報道非常典型的多材料的應用，依賴于宏微觀非常精準的調控,。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)在突出很多結構的設計,，其實自然界有上億年進化優(yōu)化的結構,，可以給我們提供非常多的靈感，你探索自然和科學上的報道,，世界上3D打印模仿最多的一種結構就是蜘蛛網,，這句話是我總結的，結構是容易仿制的,，但是用增材制造做它很難,，最難的是里面的科學問題,，昨天王院士在這個講臺上給我們說基礎研究很重要，也很難,，我非常認同,，比如說我們做這個增材制造，要想材料結構性能一體化有賴于非常多基礎問題的解決,。

我介紹一下目前和航空航天結合比較多的材料,，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驗性能的研發(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去陶瓷之后,，這樣的鋁合金顆粒復合顆粒對激光如何吸收,，且借光尺度的模擬工作，我們經常講熔池行為,，熔池本身如何形成也有科學問題,，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,，我們做了相關的工作,，同時用試驗證實它。我們再從基礎研究角度講,，經常形成孔隙和裂紋,，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體,，這里實際上對粉末置備的要求很高，包括一些變形機制我們要解釋,，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,，可以獲得一個復合結構。

同時,，我們研究了加進去納米陶瓷之后,，到底是怎么影響機器的,，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，納米陶瓷加進去以后,，通過改變機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。現(xiàn)在對加工完的輔材,，性能比沒有增強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件,，這樣管路,、框體的。

第二個就是高強稀土改性的鋁合金,，我們現(xiàn)在做了大量的研究工作,。這個材料很難，當我們第一次把這個粉末拿到手,，我覺得這個粉末應該很好,，球形度很好，往設備一倒像面團一樣,，我說趕緊停下來,，不可能做起來，對于粉末我們如何處理它,，我們積累了很多經驗,，現(xiàn)在我們可以很好打印一些高強鋁合金，鋁鎂的合金,，鋁鎂這個材料通過原位吸收項起到強化的作用,，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，這是今年上半年我們做的一些結果,，我們基于這些標準做的結果,，這些結果現(xiàn)在還是挺好的，鋁鎂這個原始的延伸強度是350兆帕左右,，延伸率提升23%到25%,，后續(xù)熱處理強度達到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激光技術研究所ILT獲得SLM全球發(fā)明專利，13年大量氫氧化的結構,，性能的提升,，那時候提出控性，更唱的未來,，未來新材料,、新結構、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)，往往強調復合材料,、多材料的設計,，其實我們去看看科學的一些工作,，去看看中國科學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的話，我們要強調復合材料和多材料的設計,，盧院士看得非常之遠,。

新結構這個也非常重要,，我們也去嘗試，就像第一個例子我已經講了,，自然2013年就說如何推廣3D打印,，強調生物仿生，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,，就是大跨尺度設計,，它不是一個常用的名稱，我們常用的是跨尺度,，現(xiàn)在強調是大跨尺度,，實現(xiàn)從最小的支撐單元到宏觀尺寸六個七個數(shù)量級大跨尺度結構，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》，這個影響因子已經達到7了,，這篇文章就是這個主編寫的,，高進程3D打印提升構建了功能性，發(fā)在科學上,，未來更多的要強調功能的打印,，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現(xiàn)更多的功能性，未來增材制造強調整體結構以及多功能的復合,。

總結一下,，增材制造創(chuàng)新要素有多相材料的設計，大跨尺度的新結構,，還有激光增材制造的精準調控,，這里有很多挑戰(zhàn)也值得我們進一步深入的研究，這是我一個簡要的匯報，這是我的聯(lián)系方式,，謝謝大家,！