让大型金属零件“随心所欲“长出来

受访者：王华明院士 大型金属构件增材制造国家工程实验室主任

采访者：王洁

在北航旧体育馆附近，有一个外观简陋的小院，院子虽小，但外院墙上赫然而立的四块铭牌常常引人驻足观赏。这里没有锻造和精密机械加工设备，却曾在短短55天的时间里诞生了C919客机机头的钛合金主风挡整体窗框。它们就是在光与热的交融中一分一毫地按照设计者的意愿“生长”出来的，这项技术，行业人称作金属增材制造技术，通俗些说就叫3D打印。这座实验室的掌门人，就是大型金属构件增材制造国家工程实验室主任王华明院士。

记：据说3D打印能让一个零件从无到有“长出来”，这项技术在您看来与传统制造技术有什么区别呢？

王：传统的制造技术主要有铸造、锻造、焊接和切削加工等，有些零件结构复杂，传统制造技术就无法实现。但3D打印理论上不受任何形状的制约，不管内部结构多复杂，都可以打印成形。3D打印是通过切片，把无穷多的二维零件一层层叠加起来，可以说这是对制造技術的颠覆，只要想的到，都可以打印出来，并且带来很明显的性能提升效果，这是3D打印的第一个特点。举个简单的例子，航空发动机的涡轮叶片，大多采用单晶镍基高温合金加工而成。单晶镍基高温合金真正耐温不到1 200℃，现在要在1 700℃使用，这个差距就靠叶片冷却通道里面的空气降温实现，可以提升四五百度，那么耐温1 200℃的材料就可以在1 700℃使用。同时，3D打印可以把冷却通道做的非常高效，假如说冷却能力为1 000℃，那就意味着耐温700℃的材料可以在1 700℃使用，这是传统方法做不到的。第二点，3D打印不仅仅是对材料的堆积，在逐层添加材料的过程中，可以完成一些特殊材料的合成和制备。例如说，熔点特别高的材料，无法用传统方法制备，但在3D打印过程中利用激光或者电子束，就可以冶金出这样的材料，或者通过化学反应产生一些熔点特别高的化合物，最终打印出的零件性能会比传统工艺制备出的零件性能好很多。同时，根据工作环境，不同的零件部位可以使用不同的材料制造，需要耐高温的地方用耐高温材料，需要耐氧化的地方用抗氧化的材料，制造过程可以很方便实现。第三点，3D打印的生产周期、生产成本以及生产效率比传统方法要快的多。只需要一台普通的3D打印机，利用计算机自动控制，甚至是远程控制或者网络控制就可以实现3D打印，不需要模具及工装，也不需要提前准备坯料。只要设计出来，马上就可以开始打印，有的两小时，有的五小时，就能打印完成。

记：像传统金属材料，比如钢、钛、铝、高温合金，都能用3D打印进行加工制造吗？或者说，哪些材料更适合应用于3D打印技术？

王：理论上说，只要是金属材料，都可以打印，3D打印对材料本质上没有选择性。当然，从经济上说，材料越贵，性能要求越高，零件越大、越复杂，3D打印的优势越明显。像钛合金，超高强度钢，镍基高温合金，都比较贵，传统工艺会浪费很多材料，而3D打印几乎没有浪费。但是塑性比较差的材料，就不适合3D打印，或者说难度很大，因为在打印过程中，使用激光或电子束加热，温度会变化的非常剧烈。由于温度的剧烈变化，材料内部会产生很大的热应力，塑性差（在外力作用下容易产生变形或破坏）的材料在热应力作用下就会容易产生开裂，所以说3D打印对材料还是有许多局限性的。

记：很多人都有一个疑问，3D打印出的零件能直接应用在飞机上吗？

王：大多数飞机、航空发动机、卫星或者运载火箭这些重大装备的关键构件，对性能要求都比较高。所以说打印完成之后，首先要进行去应力退火，把零件再加热到一定温度，保温一段时间，将内应力彻底消除，这是必须的。另外对性能要求很高的构件，还要通过热处理进一步去改变它的组织结构，来获得所需要的性能，例如航空航天用的钛合金，飞机起落架用的超高强度钢，还有航空发动机用的镍基高温合金等，后续都必须要经过热处理。另外，对于装配部位，还需要进行少量的切削加工，才能达到尺寸精度和表面光洁度要求。当然现在很多宣传说，3D打印出来的零件可以直接使用，但是实际上像轴承、轴这样有相对运动或者表面精度要求很高的零件，在我看来3D打印可能一辈子都达不到。简单来说，3D打印完成以后，首先要进行去应力热处理以及调控内部微观组织结构的性能热处理，还要做后续的加工、装配、检测等等，跟传统的工艺是一样的。

记：据我了解，您和您的团队已经建立了配套完整的技术标准体系，并把它作为四大关键技术之一。您认为这个标准体系对于3D打印技术的推广和应用有着怎样的作用？

王：任何技术要应用到装备上，都需要一套保证质量稳定性和一致性的规范，不能说做出来的每个零件性能参差不齐。规范标准就是制定出一套严格的流程，严格的操作要求，所有的参数、状态、设备、人员的要求，这样保证只要照着这个标准去做，做出的每个零件都一样。任何一个规范都要经过大量的研究总结、大量的实验，最后才能制定下来。我们大概也算是第一个吃螃蟹的人，在2005年制定出一个标准体系，当然这个标准也是相对的，随着技术的进步，标准也会不断的升级。这个标准体系简单的说是和工程化相关的，就是走向工程应用，它能够保证做出来的产品是稳定的、可靠的、用户是放心的。严格意义上来说，属于质量管理体系里面的内容。

记：您在2012年获得的国家技术发明一等奖，到现在5年的时间过去了，您和您的团队又取得了哪些新的成果呢？

王：3D打印技术是一个不断发展的技术，在我看来甚至是永无止境的。从2012年到现在，我们打印的金属种类在不断扩展，能够打印更多类型的钛合金以及应用于飞机起落架的超高强度钢。同时，我们在往能打印出更大，更复杂的零件方向努力，解决3D打印的工艺问题和质量问题，从原来打印投影面积5个平方米的钛合金零件到现在能打印出超过16个平方米的零件，效率也是在不断的提高。另外，3D打印的应用领域在不断拓展，原来航空发动机零件做的少，现在航空发动机（包括燃气轮机）的大型关键零部件制造方面也取得了可喜的进展，不仅仅应用在飞机上，还包括卫星，运载火箭等。

记：现在除了您的团队，也有不少团队在开展3D打印技术研究，但真正成功应用的案例比较少，您认为制约这项技术发展和应用的瓶颈是什么？

王：3D打印独特的优势是非常明显的，也是很诱人的。大家都觉得这是个金山，但是想要把它挖掘出来必须要解决很多困难，第一个问题就是怎样控制热应力使打印出的零件形状、尺寸是稳定的，就是解决变形问题，我觉得这是3D打印过程当中最难的问题，也是现阶段用这种原理打印金属零件的一个永恒问题。第二个问题就是打印过程当中，如何控制零件内部缺陷、晶粒大小及形态，这决定了打印出来的零件品质或者性能，在我看来也是材料科学的最前沿技术。因为它是在极端条件下，发生的材料熔化、凝固和固态相变（一种组织在温度或压力变化时，转变为另一种或多种组织的过程），这与传统工艺是有很大区别的。这些可能是3D打印技术发展的难点，但也不是一成不变的，假如找到一些方法把这些问题解决了，但后来新的材料研发出来（比如塑性很差的材料），如何通过工艺和设备把新材料打印出尺寸更大，同时内部组织结构又好的零件将会成为新的难题。可能技术就是这样，是永无止境的。

记：大家熟知的是您在3D打印领域的成就，据我了解，您在其他领域也取得了很多成果，能跟我们介绍一下吗？

王：我是92年来的北航，在北航工作了25年，除了金属零件的增材制造，我们还有一个研究方向是激光表面改性，或者说是激光表面工程。很多金属零件是有摩擦磨损的，比如说齿轮与轴，或者火车的轮子与铁轨，有接触和相对运动就会带来磨损。另外，零件与腐蚀介质接触，会产生腐蚀，这些都会导致零件的失效。如果能够让金属零件表面变的耐磨、耐腐蚀，内部用普通的材料也就足够了。所以我们大概就做这样一个事情，仅仅用激光对表面进行处理，但这个零件的本体材料是普通的、便宜的、性能是好的。例如，在铝合金的表面上加一定量的钛，钛和铝反应形成钛铝，表面的硬度会提高，就变的耐磨了。或者像航天发动机叶片在高速旋转的时候，跟金属磨擦就要产生磨损，另外磨擦还会产生化学反应，这时候钛合金可能就燃烧起来，发动机就烧了，像这种情况就可以通过同样的方式，在钛合金的表面打印一层熔点不超过2 500℃的硅化物，它的耐磨性可能几十倍，甚至上百倍的提高。这是我们另外一个研究方向，本质上可以理解成3D打印，打印薄薄的一层，解决的是零件表面的性能，能大大的提高零件寿命。

记：您认为以3D打印为代表的新型制造技术与航空，或者我们的生活碰撞，会产生怎样的火花？

王：对航空而言，3D打印首先可以改变零件的结构，内部可以像咱们人的骨头一样，有的地方做成空心的，有的地方做成实心的，这样零件重量会减轻，刚度也会提高。假设内部是非常复杂的空心网格结构，一个网格的破坏，并不带来整个零件的失效。我觉得它带来的变革是对装备性能的提升，甚至说是一场革命。另外，飞机零件数量可能也会越来越少，原来需要多个零件连接起来，现在可能直接打印出整个结构，零件数量少了，结合部位相应减少，发生事故的概率也会降低。相对生活来说，如果能找到一种材料在打印过程中不产生气味，打印出来的材料也很环保，到那个时候人人都可以在家里打印家具、玩具、生活用品等，整个社会的生产模式也会发生改变，我想这个时代不会太遥远。

责任编辑：王洁

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