金属增材制造技术,及其对重大装备制造业的影响

由于原理性制约，金属大型构件的制造能力或者材料的性能水平受到限制。3D打印技术可以让大的、复杂的、多品种的、小批量关键金属构件实现高性能、低成本、快速制造。3D打印会给金属制造带来三个方面的变革：改变构件结构、改变材料、改变重大装备的制造模式。

目前重大装备的材料与技术挑战

重大装备的制造基础是大型关键构件的制造，涉及工业领域的几个方面，一个是材料工业，另一个就是制造工业。未来装备制造的发展趋势主要涉及这两个方面。

一方面，重大装备越来越大，比如运载火箭越来越重，要求高性能、多功能、高可靠和长寿命，这是基本的趋势。在这种基本趋势条件下，制造这些大型装备关键的金属构件材料，在可预见的将来还得是金属。但是，若要提高金属性能，就得把金属合金化，在金属里加更多合金元素，合金越来越复杂，对它的控制要求越来越高。

另一方面，未来的装备制造零件也会越来越大，寿命越来越高，可靠性越来越强。这时候，制造装备用的构件材料肯定会越来越复杂、越来越先进，装备的结构也会越来越大、越来越轻、越来越复杂。与此同时，对制造技术的要求肯定也是更智能化、低成本、快周期，这是基本的趋势。

对这些大型的、高合金化的、特殊的合金大构件，采用传统制造业技术，就受到传统冶金技术原理的制约。金属材料本来很简单，它可以被处理得非常细，就像面粉一样，再在面粉中加入糖、盐，可以拌得非常均匀，揉出来的面条就可以没有孔洞、塑性高、强度好。现在的问题是，使用金属材料做小的构件没有问题，但如果做大构件，比如做100吨的或者几十吨的零件，面临的问题就很多。我们需要先炼出一大堆钢，但首先钢水不容易炼均匀，其次冷却得很慢。假设100吨钢水浇上去，20天可能都冷却不下来。冷却速度慢，钢水结晶的晶粒就会非常粗，晶粒大，化学成分就会非常不均匀。这就注定了构件芯部肯定有气孔、不致密。因此，金属做小零件是可以的，做大零件不行。如果用粉末冶金，就是做10微米、20微米、100微米的铸锭，这样会冷却得很快。这是冶金原理的制约。

由于原理性制约，导致金属大型构件的制造能力或者材料的性能水平受到限制。从本质上说，我认为目前到了天花板，未来短期内也不可能有实质性的进展，这是现实状况。由于大型构件制造能力的制约，导致装备技术进步也非常困难。比如，过去70年，歼击机的结构重量系数，即飞机的自重占飞机的重量百分数，从来没有突破过27%，即便世界上最先进的飞机，它的自重也占了起飞重量的27%以上，这是一个基本的现实。

3D打印给金属制造带来变革

3D打印会使装备制造目前的局面得以改观。这个打印过程，可以用激光，可以用电子塑，可以用等离子塑，也可以用电弧，甚至可以用电铸快速融化材料。通过快速融化、快速凝固制备出材料。通过3D打印，可能更加快速有效地制造出一个大零件，这个零件也许需要花费30小时，也许50小时，就能制造出一个特别大的零件。而在传统制造方法下，需要先炼铸锭、开模具，然后用万吨级的水压机打锻件，做出来的东西可能90%以上还要靠加工。3D打印则通过微区冶金、快速凝固、化整为零，它的材料已经制备，冶金过程已经完成，是数字化控制的。从这个意义上说，我认为3D打印是最具备智能制造特征的。

3D打印会给金属制造带来三个方面的变革。

首先，3D打印改变构件结构。我们现在谈得很多的智能制造，大多还是外形的东西。在我看来，3D打印为结构设计的创新，或者颠覆性的结构创新带来机会，而对结构的影响是最大的。这意味着，一架飞机原来有一万个零件，现在可能变成二百个，原来辎重50吨，也许以后变成5吨，它靠结构带来变化。材料非常重要，但是结构更重要。结构带来变化之后，以前做强度做结构研究的人们可以发现，3D打印就是把三维的东西变成二维来实现，构件尺寸、形状与结构无限制。

例如一个钛合金的构件，用传统方法去做会很困难，可能开一套模具就是上千万元。比较大的钛合金零件，其实用传统方法是做不出来的。超过16平方米的钛合金构件，全世界的锻造机都是不可能锻出来的。这样的零件原来可能十几个零件加工以后焊在一起变成一个。但是3D打印就不一样。运载火箭上的四个零件，就能让这个火箭减重300公斤，这是3D打印的优势。对航空发动机或燃气轮机来说，3D打印能解决它的材料问题、解决它的结构问题，尤其是解决它的结构问题是比较容易的。假设现在一架运输机是100吨，起飞重量200吨，未来的3D打印可能会实现运输机起飞重量还是200吨，自重可能是10吨了。它的结构会带来颠覆性的变化。

其次是改变材料。3D打印把不同的材料组合在一起，或者利用极端的条件，突破传统冶金对材料制备及性能的原理性瓶颈，实现新一代高性能设备与复杂结构制造，突破性发展新的材料。微区冶金没有传统铸锻宏观冶金的缺陷和偏析，实现晶粒细小、成分均匀、性能优异等特性，构件性能逐点可控，无壁厚效应、无位置效应，摆脱传统冶金对合金设计的制约。

3D打印能够制造出传统冶金制造做不出来的材料。比如要向铝合金里面加钨，钨的熔点3000多度，铝的熔点只有600度，用传统的方法在铝中加钨是加不进去的。3D打印就可能可以做到，开发出来的就是全新的材料。

最重要的是，如果用传统的锻铸做出来的零件，不可能零件的任何部位都能精确控制。3D打印就可以做到任何部位数字可控，无壁厚效应、无位置效应。这个就带来了材料的变革。3D打印的原理就决定了如果控制得好的话，它的特性就会好。

最后一个变革，是可能会改变重大装备的制造模式，可能会让装备的研制、生产模式带来变化。比如，3D打印从塑模开始，把粉、丝这些原料变成材料，同时变成零件，也许上面所有工作完成就在几十个小时之内，不需要任何的重工业装备。之后，这些零件可以被用于做加工、做装配。

需要补充说明的是，3D打印仅仅是制造技术当中的一种成型技术而已，并不是说有了3D打印，其他的制造技術就不需要了。3D打印之后也还是需要机械加工、装配、表面处理等过程。

现在，信息技术、大数据技术、模拟技术、仿真技术发展得非常快，也许未来我们需要的只是一台装备。这种情况下， 3D打印技术可以让大的、复杂的、多品种的、小批量关键的金属构件实现高性能、低成本、快速制造。而如果采用传统的技术，大型的、复杂的、多品种的、单件的金属构件，一定有性能差、成本高、一定产品周期长的问题。所以我认为3D打印可能会带来一种制造模式的变革，颠覆性的变革。

随着3D打印技术规模产业化，传统的工艺流程、生产线、工厂模式、产业链组合都将面临深度调整。我也希望更多人能够对3D打印技术有更多的关心，对大型金属构件的增材制造方面的研究，能够更加深入。

3D打印技术带来的将是新一代的材料，基于特殊冶金的新一代材料也是未来的发展方向。但是，关于3D打印技术的研究，我们还有很长的路要走，尤其是基础研究。如果没有基础研究，那些概念和理念，不过就是讲讲故事而已。

本文根据王华明院士在国家制造强国建设专家论坛（宁波）上的主题演讲速记稿整理而成。

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