金屬3D打印與先進(jìn)粉末冶金材料
——訪國(guó)家“千人計(jì)劃”專家，東北大學(xué)特聘教授張德良

本刊記者 李 丹

：您認(rèn)為金屬3D打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸是什么？

張德良：金屬3D打印技術(shù)的研發(fā)和廣泛應(yīng)用為我國(guó)制造業(yè)快速升級(jí)轉(zhuǎn)型，達(dá)到國(guó)際一流水平，提供了一個(gè)難得的機(jī)會(huì)。我國(guó)信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，為金屬3D打印技術(shù)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用提供了很好的支持。金屬3D打印技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的主要瓶頸是可靠性有待證實(shí)、效率低和成本高。

（1）可靠性。金屬3D打印的零部件是通過(guò)大量微小熔池的凝固和融合堆積而成的，人們對(duì)用此工藝制造的金屬材料性能的可重復(fù)性和可靠性沒(méi)有很深的認(rèn)識(shí)，從而缺乏信心。這需要科研工作者和工業(yè)界進(jìn)行大量的重復(fù)制造和應(yīng)用試驗(yàn)，并進(jìn)行系統(tǒng)概率統(tǒng)計(jì)分析，分析出可能影響材料性能的主要因素和出現(xiàn)缺陷的概率，以此定義材料性能的保險(xiǎn)值和必要的檢測(cè)手段及程序，并通過(guò)建立國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)使其法律化。這樣3D打印零部件才有望大批量使用。

（2）效率低。成形能力非常強(qiáng)的激光（或電子束）選區(qū)熔化金屬3D打印工藝非常慢，需要幾十小時(shí)才能打印出一個(gè)幾千克重的零部件。雖然可以通過(guò)使用多個(gè)激光束（電子束）或多個(gè)機(jī)器提高生產(chǎn)速率，但仍不能滿足量產(chǎn)的需求。需要開發(fā)一種新型復(fù)合成形技術(shù)，既能充分利用金屬3D打印的超強(qiáng)成形能力，又能利用其他金屬加工工藝的快速成材能力，大幅度提高金屬3D打印復(fù)雜形狀零部件制造速度。

（3）成本高。金屬3D打印零件的成本太高，一個(gè)1kg的Ti-6Al-4V合金零部件制造成本達(dá)到0.5～1萬(wàn)元人民幣。這么高的成本沒(méi)有多少應(yīng)用能承受得了，勢(shì)必造成金屬3D打印零部件有價(jià)無(wú)市，整個(gè)市場(chǎng)相比其他金屬工藝制造的零部件數(shù)量和質(zhì)量總量非常微小。以TC4鈦合金為例，如果把適合于激光選區(qū)熔化的鈦合金超細(xì)粉末（球形顆粒尺寸為15～53μm）的成本減到500元/kg以下，金屬3D打印制造成本減到500元/kg以下，再使用復(fù)合成形技術(shù)，同時(shí)零部件的性能和可靠性達(dá)到航空鑄件的水平，很有可能大幅度擴(kuò)大鈦合金3D打印零部件的應(yīng)用。

：團(tuán)隊(duì)研發(fā)的納米結(jié)構(gòu)或超細(xì)結(jié)構(gòu)金屬基納米復(fù)合材料及制備技術(shù)有望被工業(yè)界采用，請(qǐng)簡(jiǎn)要介紹一下這個(gè)項(xiàng)目，以及在技術(shù)和產(chǎn)品性能上有哪些優(yōu)勢(shì)？

張德良：我們團(tuán)隊(duì)通過(guò)加工金屬粉末和納米陶瓷粉末混合體制備納米結(jié)構(gòu)金屬基納米復(fù)合材料粉末，再通過(guò)熱機(jī)械固結(jié)該粉末制備納米結(jié)構(gòu)或超細(xì)結(jié)構(gòu)金屬基納米復(fù)合材料型材（主要是棒材）樣品，研究棒材的顯微組織和力學(xué)性能。應(yīng)用這種新型粉末冶金工藝，已經(jīng)成功制備具有高拉伸強(qiáng)度（達(dá)到600MPa）、拉伸塑性好、高導(dǎo)電率（達(dá)到80% IACS，國(guó)際時(shí)效銅導(dǎo)電率標(biāo)準(zhǔn)）的超細(xì)結(jié)構(gòu)銅基納米氧化鋁彌散強(qiáng)化納米復(fù)合材料。通過(guò)該新型粉末冶金工藝路徑，采用低成本6063和其他鋁合金車削屑以及納米SiC粉末，制備出超細(xì)結(jié)構(gòu)鋁合金基SiC納米顆粒強(qiáng)化納米復(fù)合材料棒材，拉伸強(qiáng)度達(dá)到500MPa以上（是對(duì)應(yīng)粗晶鋁合金強(qiáng)度的2.5倍以上），具有良好的拉伸塑性。通過(guò)提高粉末加工效率和使用回收金屬車削屑，可以大幅度降低這類先進(jìn)材料的制造成本，使其性價(jià)比明顯高于對(duì)應(yīng)的粗晶合金材料?，F(xiàn)在團(tuán)隊(duì)一方面和工業(yè)界企業(yè)合作推進(jìn)這類新材料制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和新材料的應(yīng)用，一方面繼續(xù)深入研究該類材料的制備工藝條件-顯微組織-性能的關(guān)系，加強(qiáng)材料科學(xué)基礎(chǔ)研究。

：在降低鈦合金粉末冶金制造成本、提高鈦合金構(gòu)件性能方面，您取得哪些研究進(jìn)展？

張德良：我們直接采用海綿鈦或低成本鈦合金粉末為原料，通過(guò)短流程、高效率（包括材料利用率）、低能耗大幅度降低成本。通過(guò)熱機(jī)械固結(jié)粉末保證零部件和型材具有接近100%理論密度的高致密、細(xì)小結(jié)構(gòu)，從而使鈦合金零部件和型材的性能與擠壓型材的性能相媲美。通過(guò)十幾年的研究已經(jīng)確認(rèn)其可行性，奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和知識(shí)基礎(chǔ)。已經(jīng)和工業(yè)界企業(yè)建立了合作關(guān)系，集中推進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，并預(yù)計(jì)在2017年內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零部件的小批量制造和應(yīng)用。該技術(shù)進(jìn)一步開發(fā)和推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化的難點(diǎn)在于應(yīng)用市場(chǎng)開發(fā)。希望通過(guò)目標(biāo)零部件的制造、應(yīng)用測(cè)試、成功應(yīng)用和高性能、低成本的展示鼓勵(lì)更多潛在用戶和我們團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)多種目標(biāo)零部件，快速達(dá)到100 t以上年產(chǎn)量。一旦達(dá)到這個(gè)產(chǎn)量水平，中國(guó)低成本高性能鈦合金零部件和型材粉末冶金制造技術(shù)研究、開發(fā)和應(yīng)用將處于國(guó)際領(lǐng)先地位，并為國(guó)際同行塑造令人振奮的大幅度降低鈦合金零部件和型材制造成本的典范。現(xiàn)在全球鈦合金制品的產(chǎn)量和應(yīng)用量只有十幾萬(wàn)噸，希望通過(guò)大幅度降低原料成本，以及低成本高性能鈦合金零部件和型材粉末冶金制造技術(shù)的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，能夠使鈦合金制品的年產(chǎn)量和使用量增加幾倍甚至幾十倍。

：發(fā)展金屬回收料的再生研究有哪些重要意義？

張德良：金屬材料是經(jīng)過(guò)多道冶煉和加工后得到的有價(jià)值物質(zhì)，所以金屬回收料大都再利用?，F(xiàn)在主要的再利用途徑是把金屬回收料重新熔化，和新的金屬混合制備合金或其他金屬基材料。我們的研究和技術(shù)開發(fā)主要聚焦于金屬回收料，尤其是金屬碎屑回收料的固態(tài)再生，即不經(jīng)過(guò)熔化使其變成金屬或金屬基復(fù)合材料零部件和型材。這個(gè)技術(shù)的重要意義在于充分利用金屬回收料的優(yōu)良固態(tài)材質(zhì)，同時(shí)因避免重熔而大幅度降低能耗。重熔金屬回收料會(huì)摧毀回收料經(jīng)過(guò)多次加工獲得的優(yōu)秀冶金品質(zhì)。對(duì)于非常細(xì)小的金屬碎屑回收料，在空氣下重熔還會(huì)造成大量的材料氧化損失，所生成的氧化物還會(huì)增加再生材料內(nèi)的雜質(zhì)含量。我們通過(guò)研究開發(fā)出直接固結(jié)金屬碎屑回收料或固結(jié)以金屬碎屑回收料為原料制備出的金屬粉末的粉末冶金工藝，獲得的零部件和型材樣品的顯微組織和性能可與對(duì)應(yīng)的原生金屬的顯微組織和性能相媲美。中國(guó)制造業(yè)產(chǎn)生大量的金屬碎屑回收料，估計(jì)每年達(dá)到1000萬(wàn)t以上。把這些金屬碎屑回收料通過(guò)固態(tài)再生制成金屬零部件或型材，將節(jié)省幾百億元的能耗，并減少對(duì)環(huán)境的沖擊。同時(shí)這些材料也可以成為制造高性能先進(jìn)金屬材料的低成本原料。由此可見，進(jìn)行金屬碎屑回收料固態(tài)再生技術(shù)的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。在這方面，我們團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列研究，開發(fā)出幾項(xiàng)專利技術(shù)，正在與工業(yè)界企業(yè)合作推進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化。