沈航杨光教授顶刊丨基于激光-粉末-熔池相互作用的选区激光熔化内部缺陷形成机理

中国工程院院士、北京航空航天大学材料学院教授、大型金属构件增材制造国家工程实验室主任、金属3D打印专家王华明在《科创中国·院士开讲》栏目第九期为我们分享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。 王华明院士2015年当选为中国工程院院士，被认为是中国金属3D打印技术的带头人，主要从事高性能金属材料激光制备科学与工程、大型复杂关键金属构件激光增材制造技术和激光表面工程方面的研究。 01背景介绍增材制造技术(也称3D打印技术)是20世纪80年代后期发展起来的新型制造技术。目前，增材制造使用的材料包含了金属、非金属、复合材料、生物材料甚至是活性细胞，成形使用的能量源包括激光、电子束、电弧等，成形尺寸从微纳米元器件到10 m以上大型航空结构件，为现代制造业的发展以及传统制造业的转型升级提供了巨大契机。经过近40年的发展，增材制造技术面向航空航天、轨道交通、新能源、新材料、医疗仪器等战略新兴产业领域已经展示了重大价值和广阔的应用前景，是满足国家重大需求、支撑国民经济发展的“国之重器”，已成为世界先进制造领域发展最快、技术研究最活跃、关注度最高的学科方向之一。增材制造以其对设计创新的强力支撑正在颠覆高端装备的传统设计和制造途径，形成前所未有的创新解决方案。以北京航空航天大学、西北工业大学、华中科技大学、华南理工大学等院所，以及以其研发的技术创办的企业为代表的金属增材制造企业，已初步建立了涵盖3D打印金属材料、工艺、装备技术到重大工程型号应用的增材制造产业链和技术体系，整体技术达到了国际先进水平，并在部分领域居于国际领先水平。在航空航天领域，中国航空发动机集团成立了增材制造技术创新中心，旨在推动增材制造逐步走向规模化应用。02问题与挑战与欧美等国家相比，我国在增材制造基础理论、关键工艺技术以及高端装备等方面仍存在一定差距，如增材制造装备的高端核心元器件和工控软件部分还依赖进口，但在重大装备的大型承力结构件的增材制造技术及应用方面，以北航、西北工大为代表的金属增材制造技术领先世界，主要解决了以下几个方面的问题。第一个挑战，首当其冲是增材制造的控形问题，成形过程中存在剧烈的物理、化学变化以及复杂的物理冶金过程，同时伴随着复杂的形变过程，长时间循环反复的极端高温和快速冷却给成形零件产生了非常大的热应力。零件越大，变形就越大，根据胡克定律，形变会产生应力，应力达到一定程度，超过材料本身能承受的拉力时将导致零件产生开裂或裂纹。因此，如何控制成形过程中的循环热应力，如何避免裂纹或开裂，是金属增材制造大型零件的首要难题。第二个挑战是成形过程中的控性问题，控制凝固过程、固态相变，从而让零件不产生缺陷，让晶体尺寸、化学成分、晶粒取向可控，达到良好品质。这涉及材料、结构设计、工艺过程、热处理等诸多因素，增材制造过程的材料—工艺—组织—性能关系是金属增材制造最关键的技术。第三个挑战是技术标准，这需要通过大量的应用研究来建立。技术标准是引领产业发展的基础，如何制定金属增材制造的行业标准，需要结合传统金属零件的性能要求，建立完善的增材制造专用材料、工艺和设备，以及产品的检测和评价规范等一系列的技术标准。03发展方向由于增材制造技术的发展历史较短，传统的基础理论往往还无法解释增材制造过程的物理、化学变化过程，需要从基础科学入手加强基础理论的研究，需要解决的科学问题主要有：(1)金属成形中的强非平衡态凝固学由于增材制造过程中的材料与能量源交互作用时间极短，瞬间实现熔化—凝固的循环过程，尤其是对于金属材料来说，这样的强非平衡态凝固学机理是传统平衡凝固学理论无法完全解释的，因此建立强非平衡态下的金属凝固学理论是增材制造领域需要解决的一个重要的科学问题。(2)梯度材料、结构的增材制造机理增材制造是结构功能一体化实现的制造技术，甚至可以实现在同一构件中材料组成梯度连续变化、多种结构有机结合，实现这样的设计对材料力学和结构力学提出了挑战。王院士报告过程部分图片如下： 来源：增材制造硕博联盟