华中大史玉升团队丨激光选区熔化成形变形铝合金的冶金缺陷形成机制

北航王华明院士报告丨增材制造将改变重大装备制造业《科创中国·院士开讲》是“科创中国”与抖音联合打造的大型视频知识类栏目，由中国科学院和中国工程院院士作为主讲嘉宾，栏目在“科创中国”同步播出。第九期，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王华明作为主讲嘉宾，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。 把三维复杂问题平面化增材制造，俗称3D打印，发明于1980年左右，得益于计算机技术，使得制造过程可以实现数字化。王华明院士总结道，所谓增材制造，就是把零件切分成无穷多的平面，把三维复杂的零件当成二维平面问题来解决，主要靠熔化等方式来逐层堆积材料，从而制造出实体物品。 按材料来分的话，增材制造可分为非金属增材制造（包括陶瓷和高分子）、金属增材制造、生物组织增材“制造”。 其中，金属增材制造的关注度较高。王华明院士介绍了金属增材制造的两种方法，一种是粉床选区熔化或者叫铺粉，它可以做出非常复杂的结构，例如航空发动机的燃油喷嘴、钛合金的生物植入体等。 另一种是同步送粉/丝熔化沉积，通过这种方式可以快速制作大型构件，例如发动机的整体叶盘、超高强度钢的起落架等。 突破材料冶金天花板大型关键受力构件的制造，是核电站、高铁、飞机、运载火箭等重大装备制造的基础。据王华明院士介绍，重大装备的关键受力构件一般是金属，然而受传统冶金/塑性成形技术的“原理性”制约，重大装备大型关键金属构件制造能力和材料性能已近极限。未来重大装备的发展又呈现大型化、高性能、极端服役、高可靠、长寿命、低成本的趋势，要求严苛，“这实际上是面临的一个挑战”，王华明院士说，因为一旦做大零件，冷却速度慢了，晶体就会粗，化学成分不均匀，完全不致密，只能靠锻造去补救，而补救是有限度的。而增材制造“突破了材料冶金的天花板”，可以实现快速冷却，以微区的冶金取代传统的锻造冶金，既不需要模具、锻造装备，也不需要炼钢、炼铁，做出来之后经过少量加工就可以得到最终的零件。原则上来说，所有金属都适用于增材制造，不过王华明院士认为，现阶段，越大、越复杂、性能要求越高的零件，使用3D打印的优势越大，如果是制作普通螺丝钉这类的零件，传统方法的性价比更高。 制造大型金属构件的瓶颈真正用增材制造做大型金属构件并实现应用的话，瓶颈在哪？王华明院士提到了几点需要考虑的问题：首先，3D打印时，长时间剧烈加热或剧烈冷却会带来非常大的热应力，构件容易变形开裂，如何控制增材过程中的热应力是基础问题，也是最难的问题。其次，3D打印过程中，如何通过控制冶金、控制凝固、控制固态相变，来保证构件的质量？万一产生缺陷，如何检验出来？“我认为这是核心，如果这个过程得不到控制，做出来零件的品质是不行的，品质不行，你根本不可能把它用在一些关键构件上”，王华明院士说。再次，需要对工艺过程有很好的控制和掌握，使其稳定生产。另外，必须建立相应的技术标准，“标准是应用的通行证”。最后，任何一个技术要走向应用，一定要把性价比作为前提，做到低价格、高效率、短周期。 对重大装备制造业的影响王华明院士认为，3D打印技术会给重大装备制造业带来以下三方面影响：一、变革装备结构。由于增材制造是把三维问题当成二维来做，零件的大小、形状、尺寸理论上说不再受制约。从这个意义上说，它将会改变未来装备的结构，“也许以后飞机整个机身就变成两个零件，那不是什么神话。我认为这是能做到的。” 二、变革装备材料。3D打印过程中，可以实现逐点逐层地改变任何部位的化学成分，也可以控制每一点的温度、冷却速度，让零件的不同部位有不同的性质，这是易如反掌的。此外，利用这种极端的冶金条件，有望发展出新一代金属材料，例如新一代钛合金、新一代超高强度钢等，不受目前冶金原理的约束，这也是王华明院士团队的一个研究方向。 三、变革大型装备生产模式。由于3D打印是直接从数模变成零件，不再需要传统的冶金工业、锻造工业，因此它会改变装备的研制模式。“也许未来的装备都会是个性化的、小批量的，就是因为某个目的我就是造一台两台，造完之后可能马上就改型”，王华明院士畅想。 王华明院士强调，用增材制造这种方法为重大装备服务，前途毫无疑问是光明的，“但是我们还需要潜下心来，去做大量细致的、深入的研究，真正让3D打印做大型关键构件的优势发挥出来。”来源：增材制造硕博联盟