王華明院士：高性能大型金屬構件3D打印技術是變革性的，過去50年冶金技術進步緩慢

在2019年IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇上,，南極熊遇到了北京航空航天大學教授,、中國工程院院士王華明做了主題是《高性能大型金屬構件增材制造若干材料基礎問題》的報告。

下面是現(xiàn)場速記（盡管已糾正過，但仍有紕漏之處,，敬請諒解,；全文4700字。）：

我研究關于金屬構件方面的增材制造,，尤其關于高性能大型構件增材制造問題,。

3D打印大型金屬構件，材料是核心問題

增材制造技術去做重大裝備當中大型關鍵高性能金屬構件,，盧老師做的比較全面,，我只做金屬的3D打印,，而且是金屬3D打印當中做大型金屬構件,。我非常贊同盧老師前面說的，增材制造技術的發(fā)展一定需要研究,，我們現(xiàn)在最缺的,，相當于一棵大樹，如果沒有根,，基礎研究跟不上,，其他就不行。如果做大型金屬構件,，我的理解這個技術能不能發(fā)展,，材料是核心問題。
3D打印對于大型關鍵的金屬構件至少關心：
第一,，打印出來的部件質(zhì)量和性能怎么樣,，這非常重要。質(zhì)量性能一定是和3D打印過程當中的材料金屬問題密切相關,。
第二,，要走向應用，打印出來的東西,，3D打印可以打印任何形狀,，任何尺寸，甚至說都可以,，但還是有很多問題,，打印出來的精度怎么樣？其實我們很多地方不行,，打印出來還需要加工,，甚至沒有辦法加工，效率怎么辦,？這也是非常重要,。
第三，不是什么結(jié)構都可以打造，比如打大型金屬零件就容易變形,，什么材料可以打�,。坑辛�3D打印之后,，也有了更新的材料,，這些為3D打印而生，可能為醫(yī)療解決很多問題,。

△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)構件,，技術源于王華明院士

3D打印技術基礎研究要做好

最重要的問題，我相信最終是成本,。一個技術如果走向應用,，成本上沒有優(yōu)勢是不可能的。質(zhì)量性能決定能不能用,，打印精度效率也決定了能不能用,，也決定成本怎么樣，材料,、什么材料,、什么結(jié)果，要解決這些問題,。根本上是解決材料基礎問題,，3D打印過程當中材料基礎問題，不是粉末,，不是色彩,，那叫原料，是通過3D打印這個冶金的過程,，極端條件下的冶金,，然后熔化、凝固,、固態(tài)相變,，最后形成材料。

我們從1989年開始做這個事情,。盧老師剛才談的非常好,，希望金融界的人，投資界多投一些錢到這來支持更多的人,，扎扎實實把基礎研究做好,，否則這座墻要倒，靠去干活的工人,，靠偷點技術最多是三五天,，最終起不來,。

我后面材料科學問題講的比較少，解決了一定的材料科學問題之后,，增材制造技術做大型關鍵金屬構件對未來有什么影響,？我在講的過程中不再講材料科學問題，科學問題是極端條件下的冶金,，極端條件下的凝固,，極端條件下的固態(tài)相變，極端條件下的熱力學的問題,，這些問題都是以前不曾遇到,。比如說在平風條件下的力學問題，線性的力學也不是那么回事,。一開始了解重大裝備當中的大型配件,，重大裝備的大型配件它是裝備制造業(yè)的基礎，也是瓶頸,，也反映一個國家的工業(yè)綜合實力,，因為鑄錠不行所以說后面要鍛造,，如果鑄錠好了沒有必要鍛造,，我認為鍛造是不得已而為之。這條路我認為做大型構件的障礙在冶金,，前面這一塊阻力很大,，偏析嚴重，疏松嚴重,，這是現(xiàn)實,。

南極熊配圖：王華明(右二)和團隊成員查看3D打印的整體葉盤的質(zhì)量，圖片來源北京航空航天大學

實現(xiàn)大型金屬3D打印現(xiàn)實問題與難點

現(xiàn)在發(fā)展的趨勢,，東西越來越小,，但是飛機會越來越大，運載火箭會越來越重,，要求高性能,，多功能，高可靠和長壽命,，這是基本的趨勢,。在這種基本趨勢條件下，制造這些裝備大型關鍵的金屬構件,，在可預見的將來還是金屬,。金屬畢竟是最安全，最可靠的一種材料,。但是你如果把金屬性能提高,，我們沒有別的辦法,，合金化，往里面加更多合金元素,，合金越來越復雜,，對它的控制要求越來越高，一切毛病處在這,，將來合金元素根據(jù)熱力學凝固過程偏析,，沒有辦法解決的。

第二是零件越來越大,，做小零件好辦,，偏析問題，凝固問題,，很多問題都可以解決,，但是現(xiàn)在要大，要整體,，要輕,，因為結(jié)構很大，結(jié)構大帶來的毛病很難解決,，結(jié)構大之后帶來大的構件對于材料,、傳統(tǒng)冶金那是天花板。
某種意義上,，過去50年以來,，冶金技術的發(fā)展從原理上進步很小。

最后一個是復雜合金大型的結(jié)構帶來制造的毛病,，成本低不了,，周期肯定短不了，裝備技術的要求肯定高,，這是現(xiàn)實,。大型金屬構件如果撐起大型關鍵金屬構件制造，兩個東西,，一個是材料,，一個是制造。我認為根是材料,，那條腿不行這條腿就不可能行,。傳統(tǒng)冶金我叫原理性制約，它的原理就是這樣,，所以你沒有辦法,。大型構件制造能力上不去，材料性能水平也上不去,。航天發(fā)動機外盤原來是鎢合金的,，然后再去鍛造,，但是現(xiàn)在加了更多的鎳，更多的鈦,，更多的物質(zhì)之后偏析太嚴重,，偏析太嚴重就容易斷，它就裂,。把它霧化成粉末,，把液態(tài)金屬吹成一百微米鑄錠，原來做一堆的鑄錠,，現(xiàn)在做一個微米的鑄錠,，它是粉，你還能把粉收起來壓成盤子,，熱力學的制約,，我認為要突破高合金化材料的瓶頸，凝固還是唯一的一條路,。

△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)構件,，技術源于王華明院士

給大家看一個現(xiàn)實，根就是熔煉鑄造這個環(huán)節(jié)中出了問題,，后面再去做,，現(xiàn)階段我認為是機械。現(xiàn)在全世界最大的鈦合金模鍛件沒有超過50噸的,，鋁合金的厚板可能沒有超過300或者400,。在這個現(xiàn)實條件,，以航空為例,，殲滅機制動占起飛重量的百分數(shù)從來沒有低于27的，70年以來沒有進展,，這是一個現(xiàn)實,。

其實講金屬材料很簡單，技術材料像做面粉一樣,，假如說最細的面粉,，面粉柔起來是實的，里面沒有氣孔,，面條一定會拉的很長,，一定會勁道，強度高,，數(shù)據(jù)好,。金屬材料跟這個一模一樣，金屬材料麻煩在這,，加了合金元素,，只要一做大,，化學不均勻、機理很粗,，不致密,，強度低，塑性差�,，F(xiàn)在3D打印可能為創(chuàng)造了一個條件,，3D打印就是一層層往上加。

3D打印給金屬制造帶來的變革

在我看來3D打印有三個東西,，

• 一是變革結(jié)構
• 二是變革材料,，把不同的材料組合在一塊，或者3D打印過程中利用極端的條件,，突破傳統(tǒng)原理性瓶頸,，突破發(fā)展新的材料
• 三是制造模式的變革
  
  

下面說金屬大型構件。我一直講通過極端的熔化,，在極端條件下短時間冶金,，和短時間快速凝聚變成材料，它的本質(zhì)是出來一個冶金的毛坯,。我們希望它以后越來越精,，最好不加工，但是很難,。這個技術影響有：

• 第一個是3D打印本質(zhì)的特性,，你通過這種方式快速凝固，理論上說你可以做出很大很復雜,，甚至不受限制的結(jié)構,，你不再需要冶金裝備。
• 第二個我們更關心極端條件下冶金極端條件下的凝固,，真正把傳統(tǒng)冶金的瓶頸突破,，發(fā)展出來全新的材料，而不不限于現(xiàn)有的材料,。
  
  
  

下面看一些例子,，做大零件難，只要強度高,，塑性差,，做大之后一定會變形開裂，理論上說會非常困難,。我們可以做出超大型的鈦合金零件,，其他方法是出不來的。

再給大家看更大的,，可以做很多大的東西,，但是很難,，這樣的東西傳統(tǒng)方法去做，剛才這樣的零件十幾個平方米,，不相信誰的鍛件能打這么大,。鈦合金鍛件不可能的，原來十幾個零件很大的鈦合金零件,，這都是很大,。我們增材制造的梯度材料做了十幾年，梯度的結(jié)構材料,，而不是說功能材料,，這些東西很大，不同地方用的不同的鈦合金做的東西,，可以做的很大,，但是很難，這個東西可以做很復雜的結(jié)構,。

前面多位專家談到優(yōu)化,，3D打印為結(jié)構設計的創(chuàng)新，或者顛覆性的結(jié)構帶來機會,，最大的影響是結(jié)構,，一定最終是結(jié)構帶來的影響，一架飛機原來一萬個零件現(xiàn)在可能變成二百個,，原來輜重50噸,，也許以后變成5噸，它靠結(jié)構帶來變化,。材料非常重要,，但是結(jié)構更重要，結(jié)構帶來變化之后,，你們以前搞強度搞結(jié)構的這些人再試試看,，包括梯度材料，一方面梯度之后材料力學所有東西不適用了,，都是全新的東西。

在航空發(fā)動機和燃氣輪機上,，噴嘴不是關鍵構件,，我認為最關鍵的風扇、壓縮機,、渦輪壓片,、渦輪盤。2007年2月13號照的航空發(fā)動機高溫合金盤,，耐熱鋼450斤重鋼機匣,，性能上遠超鑄造和鍛造,。

3D打印可以做到零件，但是要做很多工作,，最核心的我認為在3D打印過程中極端短時,，超高溫，強對流極端情況下實現(xiàn)合金化,。水和油不可能混在一起,，創(chuàng)造極端條件，水和油可以混合均勻,，時間太短,，這種情況可以突破傳統(tǒng)的原理性制約，發(fā)展新一代的金屬材料�,，F(xiàn)階段這樣的材料突破不了,，我認為過去五十年來沒有進展，質(zhì)量有進步,，技術進步,，質(zhì)量更穩(wěn)定，性能更提升,，這是現(xiàn)狀,。3D打印會帶來真正的提高。

看一下例子,，500噸的鋼錠,，500噸的鋼水，煉的均勻就不容易,，氣體要少,，雜質(zhì)少，想辦法得到一個好的鑄錠,，但是鑄錠太大,，中心和邊可能相差幾十倍，化學成分非常不均勻,，后面要鍛,。一個孩子天生愚鈍，靠后天教育費的力氣很大,，金屬冶金也是這樣,。

整出來一個過程不行，后面再鍛造,，像揉面,，揉半斤就可以揉動，如果50公斤就揉不動，但是你使勁揉,，揉比不揉強,。帶來的變革，傳統(tǒng)的缺陷和偏析,，原來幾個微米,，幾十厘米，超過微米尺度范圍你認為均勻,，通過原理性制約,，可以設計出新的材料就是全新的材料，我做出來的零件理論上說任何一個點是可控的,，可設計的,，可重復的，鍛件中心和鍛件皮上一定不一樣,，3D打印這些問題都沒有,，這就是變革，設計師們可以不考慮位置效應,，你考慮成本就可以了,。這就是帶來的變革。

舉一個例子,，其實就是小區(qū)域的熔化凝固問題,，這個事情說起來容易做起來挺難，這么小的區(qū)域怎么控制它的形和控制它的生長,？我們能做到,，等軸裝，也可以長成鋼筋混凝土,，不是往里面加鋼筋,，一部分連續(xù)長，調(diào)節(jié)它的間距和大小,，最終控制晶體大小和曲象,，這才是智能制造，不是一般智能制造,，外形那個東西比較簡單,，這是材料冶金的問題。我把這個東西用在航空發(fā)動機的整體葉盤上,，柱狀晶,，600噸的鈦合金，高溫持久,，壽命提高6倍，蠕變量減少70%,，這是全新的材料,。

3D打印雙向鈦合金是結(jié)構材料用的最多的鈦合金,，我們可以控制它的相變，得到現(xiàn)階段不層有的特種雙態(tài)組織,，和傳統(tǒng)的雙態(tài)組織天壤之別,。這不光好看，帶來的損傷容限性提高一個量級,，沒有高強度的損傷容限,，要讓它里面有裂紋不擴展，降低強度,，提高塑性,，所有金屬材料無一例外，用的最多的鈦合金是DT,，強度達到56,，疲勞特性百分之二三十的降低，這是所有材料沒有的,，什么叫革命,，這就叫革命。

剛才盧老師談了很多性能,，天然就比鍛件好,，不可能做到微米級大零件，3D打印可以做到,，所以它的關鍵性能就是比鍛件好,。

舉個例子，說性能,，材料性能絕對不是做一個數(shù)據(jù),，10余年300多批粉末，近10萬余性能數(shù)據(jù),，工程上,，基準值，99%可靠度,，99%的置信度,，你一定取最低，100%沒有辦法說,，我們大部分材料沒有這個值,，3D打印數(shù)據(jù)分散性比鍛件小的多。斷裂韌性,，平均值,，說基準值多少，基準值比單鍵平均值高的多，這就是帶來的變革,。

不同的材料,，零件不同的部位采用不同的材料和不同的結(jié)構，12年前做的,，這是1989年做的,，30年前做的。

影響三是變革裝備結(jié)構和裝備的研制模式,，這個東西影響很大,，剛才盧老師談了做大飛機做一架和10架一樣快，做大的復雜的一件兩件一定貴,，它的性能一定不好,，現(xiàn)在可能做到。

裝備模式,，書記在2013年講,，3D打印這個技術可能會帶來一些變化。原來我們實驗室特別小,，但是它可以干重工業(yè)干不了的事,。

雖然前景光明，我們核心技術缺乏,。這個方向是這樣,，現(xiàn)階段來說不是什么都適合打印，可能打印貴的,，還得有塑性,，打零件大的，結(jié)構復雜好,，未來的方向不是打現(xiàn)在貴的材料,，現(xiàn)在塑形好的材料，打增材制造極端冶金新一代材料,，這個材料將不是現(xiàn)在的材料,，結(jié)構將來一定是變革性的，功能最優(yōu)的結(jié)構,，而不是現(xiàn)在的結(jié)構,。

任重道遠，做大型金屬構件,，高性能金屬構件,，沒有材料基礎，沒有做長期的工作是不可能,。謝謝大家,。