讓大型金屬零件“隨心所欲“長出來

受訪者：王華明院士 大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室主任

采訪者：王潔

在北航舊體育館附近，有一個外觀簡陋的小院，院子雖小，但外院墻上赫然而立的四塊銘牌常常引人駐足觀賞。這里沒有鍛造和精密機(jī)械加工設(shè)備，卻曾在短短55天的時間里誕生了C919客機(jī)機(jī)頭的鈦合金主風(fēng)擋整體窗框。它們就是在光與熱的交融中一分一毫地按照設(shè)計(jì)者的意愿“生長”出來的，這項(xiàng)技術(shù)，行業(yè)人稱作金屬增材制造技術(shù)，通俗些說就叫3D打印。這座實(shí)驗(yàn)室的掌門人，就是大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室主任王華明院士。

記：據(jù)說3D打印能讓一個零件從無到有“長出來”，這項(xiàng)技術(shù)在您看來與傳統(tǒng)制造技術(shù)有什么區(qū)別呢？

王：傳統(tǒng)的制造技術(shù)主要有鑄造、鍛造、焊接和切削加工等，有些零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)制造技術(shù)就無法實(shí)現(xiàn)。但3D打印理論上不受任何形狀的制約，不管內(nèi)部結(jié)構(gòu)多復(fù)雜，都可以打印成形。3D打印是通過切片，把無窮多的二維零件一層層疊加起來，可以說這是對制造技術(shù)的顛覆，只要想的到，都可以打印出來，并且?guī)砗苊黠@的性能提升效果，這是3D打印的第一個特點(diǎn)。舉個簡單的例子，航空發(fā)動機(jī)的渦輪葉片，大多采用單晶鎳基高溫合金加工而成。單晶鎳基高溫合金真正耐溫不到1 200℃，現(xiàn)在要在1 700℃使用，這個差距就靠葉片冷卻通道里面的空氣降溫實(shí)現(xiàn)，可以提升四五百度，那么耐溫1 200℃的材料就可以在1 700℃使用。同時，3D打印可以把冷卻通道做的非常高效，假如說冷卻能力為1 000℃，那就意味著耐溫700℃的材料可以在1 700℃使用，這是傳統(tǒng)方法做不到的。第二點(diǎn)，3D打印不僅僅是對材料的堆積，在逐層添加材料的過程中，可以完成一些特殊材料的合成和制備。例如說，熔點(diǎn)特別高的材料，無法用傳統(tǒng)方法制備，但在3D打印過程中利用激光或者電子束，就可以冶金出這樣的材料，或者通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生一些熔點(diǎn)特別高的化合物，最終打印出的零件性能會比傳統(tǒng)工藝制備出的零件性能好很多。同時，根據(jù)工作環(huán)境，不同的零件部位可以使用不同的材料制造，需要耐高溫的地方用耐高溫材料，需要耐氧化的地方用抗氧化的材料，制造過程可以很方便實(shí)現(xiàn)。第三點(diǎn)，3D打印的生產(chǎn)周期、生產(chǎn)成本以及生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)方法要快的多。只需要一臺普通的3D打印機(jī)，利用計(jì)算機(jī)自動控制，甚至是遠(yuǎn)程控制或者網(wǎng)絡(luò)控制就可以實(shí)現(xiàn)3D打印，不需要模具及工裝，也不需要提前準(zhǔn)備坯料。只要設(shè)計(jì)出來，馬上就可以開始打印，有的兩小時，有的五小時，就能打印完成。

記：像傳統(tǒng)金屬材料，比如鋼、鈦、鋁、高溫合金，都能用3D打印進(jìn)行加工制造嗎？或者說，哪些材料更適合應(yīng)用于3D打印技術(shù)？

王：理論上說，只要是金屬材料，都可以打印，3D打印對材料本質(zhì)上沒有選擇性。當(dāng)然，從經(jīng)濟(jì)上說，材料越貴，性能要求越高，零件越大、越復(fù)雜，3D打印的優(yōu)勢越明顯。像鈦合金，超高強(qiáng)度鋼，鎳基高溫合金，都比較貴，傳統(tǒng)工藝會浪費(fèi)很多材料，而3D打印幾乎沒有浪費(fèi)。但是塑性比較差的材料，就不適合3D打印，或者說難度很大，因?yàn)樵诖蛴∵^程中，使用激光或電子束加熱，溫度會變化的非常劇烈。由于溫度的劇烈變化，材料內(nèi)部會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，塑性差（在外力作用下容易產(chǎn)生變形或破壞）的材料在熱應(yīng)力作用下就會容易產(chǎn)生開裂，所以說3D打印對材料還是有許多局限性的。

某型機(jī)機(jī)身鈦合金加強(qiáng)框，最大投影面積5.02平方米

記：很多人都有一個疑問，3D打印出的零件能直接應(yīng)用在飛機(jī)上嗎？

王：大多數(shù)飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、衛(wèi)星或者運(yùn)載火箭這些重大裝備的關(guān)鍵構(gòu)件，對性能要求都比較高。所以說打印完成之后，首先要進(jìn)行去應(yīng)力退火，把零件再加熱到一定溫度，保溫一段時間，將內(nèi)應(yīng)力徹底消除，這是必須的。另外對性能要求很高的構(gòu)件，還要通過熱處理進(jìn)一步去改變它的組織結(jié)構(gòu)，來獲得所需要的性能，例如航空航天用的鈦合金，飛機(jī)起落架用的超高強(qiáng)度鋼，還有航空發(fā)動機(jī)用的鎳基高溫合金等，后續(xù)都必須要經(jīng)過熱處理。另外，對于裝配部位，還需要進(jìn)行少量的切削加工，才能達(dá)到尺寸精度和表面光潔度要求。當(dāng)然現(xiàn)在很多宣傳說，3D打印出來的零件可以直接使用，但是實(shí)際上像軸承、軸這樣有相對運(yùn)動或者表面精度要求很高的零件，在我看來3D打印可能一輩子都達(dá)不到。簡單來說，3D打印完成以后，首先要進(jìn)行去應(yīng)力熱處理以及調(diào)控內(nèi)部微觀組織結(jié)構(gòu)的性能熱處理，還要做后續(xù)的加工、裝配、檢測等等，跟傳統(tǒng)的工藝是一樣的。

記：據(jù)我了解，您和您的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了配套完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，并把它作為四大關(guān)鍵技術(shù)之一。您認(rèn)為這個標(biāo)準(zhǔn)體系對于3D打印技術(shù)的推廣和應(yīng)用有著怎樣的作用？

王：任何技術(shù)要應(yīng)用到裝備上，都需要一套保證質(zhì)量穩(wěn)定性和一致性的規(guī)范，不能說做出來的每個零件性能參差不齊。規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)就是制定出一套嚴(yán)格的流程，嚴(yán)格的操作要求，所有的參數(shù)、狀態(tài)、設(shè)備、人員的要求，這樣保證只要照著這個標(biāo)準(zhǔn)去做，做出的每個零件都一樣。任何一個規(guī)范都要經(jīng)過大量的研究總結(jié)、大量的實(shí)驗(yàn)，最后才能制定下來。我們大概也算是第一個吃螃蟹的人，在2005年制定出一個標(biāo)準(zhǔn)體系，當(dāng)然這個標(biāo)準(zhǔn)也是相對的，隨著技術(shù)的進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)也會不斷的升級。這個標(biāo)準(zhǔn)體系簡單的說是和工程化相關(guān)的，就是走向工程應(yīng)用，它能夠保證做出來的產(chǎn)品是穩(wěn)定的、可靠的、用戶是放心的。嚴(yán)格意義上來說，屬于質(zhì)量管理體系里面的內(nèi)容。

3D打印成形過程

記：您在2012年獲得的國家技術(shù)發(fā)明一等獎，到現(xiàn)在5年的時間過去了，您和您的團(tuán)隊(duì)又取得了哪些新的成果呢？

王：3D打印技術(shù)是一個不斷發(fā)展的技術(shù)，在我看來甚至是永無止境的。從2012年到現(xiàn)在，我們打印的金屬種類在不斷擴(kuò)展，能夠打印更多類型的鈦合金以及應(yīng)用于飛機(jī)起落架的超高強(qiáng)度鋼。同時，我們在往能打印出更大，更復(fù)雜的零件方向努力，解決3D打印的工藝問題和質(zhì)量問題，從原來打印投影面積5個平方米的鈦合金零件到現(xiàn)在能打印出超過16個平方米的零件，效率也是在不斷的提高。另外，3D打印的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展，原來航空發(fā)動機(jī)零件做的少，現(xiàn)在航空發(fā)動機(jī)（包括燃?xì)廨啓C(jī)）的大型關(guān)鍵零部件制造方面也取得了可喜的進(jìn)展，不僅僅應(yīng)用在飛機(jī)上，還包括衛(wèi)星，運(yùn)載火箭等。

汽輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，葉形為空間復(fù)雜異形曲面，傳統(tǒng)方法制造過程中極易發(fā)生變形造成尺寸偏差;不同部位服役情況不同，對材料的性能要求也不同。3D打印可以按照需求定制化選用多種材料進(jìn)行一體化打印成形，極大提升了葉片的成品率和使用壽命。王華明院士團(tuán)隊(duì)打印制備的汽輪機(jī)鈦合金葉片高達(dá)1.6米，在國內(nèi)也是首例。

記：現(xiàn)在除了您的團(tuán)隊(duì)，也有不少團(tuán)隊(duì)在開展3D打印技術(shù)研究，但真正成功應(yīng)用的案例比較少，您認(rèn)為制約這項(xiàng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的瓶頸是什么？

王：3D打印獨(dú)特的優(yōu)勢是非常明顯的，也是很誘人的。大家都覺得這是個金山，但是想要把它挖掘出來必須要解決很多困難，第一個問題就是怎樣控制熱應(yīng)力使打印出的零件形狀、尺寸是穩(wěn)定的，就是解決變形問題，我覺得這是3D打印過程當(dāng)中最難的問題，也是現(xiàn)階段用這種原理打印金屬零件的一個永恒問題。第二個問題就是打印過程當(dāng)中，如何控制零件內(nèi)部缺陷、晶粒大小及形態(tài)，這決定了打印出來的零件品質(zhì)或者性能，在我看來也是材料科學(xué)的最前沿技術(shù)。因?yàn)樗窃跇O端條件下，發(fā)生的材料熔化、凝固和固態(tài)相變（一種組織在溫度或壓力變化時，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N或多種組織的過程），這與傳統(tǒng)工藝是有很大區(qū)別的。這些可能是3D打印技術(shù)發(fā)展的難點(diǎn)，但也不是一成不變的，假如找到一些方法把這些問題解決了，但后來新的材料研發(fā)出來（比如塑性很差的材料），如何通過工藝和設(shè)備把新材料打印出尺寸更大，同時內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)又好的零件將會成為新的難題?？赡芗夹g(shù)就是這樣，是永無止境的。

記：大家熟知的是您在3D打印領(lǐng)域的成就，據(jù)我了解，您在其他領(lǐng)域也取得了很多成果，能跟我們介紹一下嗎？

王：我是92年來的北航，在北航工作了25年，除了金屬零件的增材制造，我們還有一個研究方向是激光表面改性，或者說是激光表面工程。很多金屬零件是有摩擦磨損的，比如說齒輪與軸，或者火車的輪子與鐵軌，有接觸和相對運(yùn)動就會帶來磨損。另外，零件與腐蝕介質(zhì)接觸，會產(chǎn)生腐蝕，這些都會導(dǎo)致零件的失效。如果能夠讓金屬零件表面變的耐磨、耐腐蝕，內(nèi)部用普通的材料也就足夠了。所以我們大概就做這樣一個事情，僅僅用激光對表面進(jìn)行處理，但這個零件的本體材料是普通的、便宜的、性能是好的。例如，在鋁合金的表面上加一定量的鈦，鈦和鋁反應(yīng)形成鈦鋁，表面的硬度會提高，就變的耐磨了。或者像航天發(fā)動機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)的時候，跟金屬磨擦就要產(chǎn)生磨損，另外磨擦還會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，這時候鈦合金可能就燃燒起來，發(fā)動機(jī)就燒了，像這種情況就可以通過同樣的方式，在鈦合金的表面打印一層熔點(diǎn)不超過2 500℃的硅化物，它的耐磨性可能幾十倍，甚至上百倍的提高。這是我們另外一個研究方向，本質(zhì)上可以理解成3D打印，打印薄薄的一層，解決的是零件表面的性能，能大大的提高零件壽命。

? ? 王華明院士團(tuán)隊(duì)打印制備的燃?xì)廨啓C(jī)耐熱鋼機(jī)匣（上：機(jī)械加工前;下：機(jī)械加工后）直徑超過1米，機(jī)械加工余量少，稱得上是“近凈成形”。但是為了滿足精度、表面光潔度以及裝配要求，3D打印成形的毛坯件還需要經(jīng)過后期加工才能真正應(yīng)用到裝備上。與傳統(tǒng)鍛造成形相比，3D打印技術(shù)材料利用率高，大大縮短加工周期，降低構(gòu)件成本。

記：您認(rèn)為以3D打印為代表的新型制造技術(shù)與航空，或者我們的生活碰撞，會產(chǎn)生怎樣的火花？

王：對航空而言，3D打印首先可以改變零件的結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可以像咱們?nèi)说墓穷^一樣，有的地方做成空心的，有的地方做成實(shí)心的，這樣零件重量會減輕，剛度也會提高。假設(shè)內(nèi)部是非常復(fù)雜的空心網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，一個網(wǎng)格的破壞，并不帶來整個零件的失效。我覺得它帶來的變革是對裝備性能的提升，甚至說是一場革命。另外，飛機(jī)零件數(shù)量可能也會越來越少，原來需要多個零件連接起來，現(xiàn)在可能直接打印出整個結(jié)構(gòu)，零件數(shù)量少了，結(jié)合部位相應(yīng)減少，發(fā)生事故的概率也會降低。相對生活來說，如果能找到一種材料在打印過程中不產(chǎn)生氣味，打印出來的材料也很環(huán)保，到那個時候人人都可以在家里打印家具、玩具、生活用品等，整個社會的生產(chǎn)模式也會發(fā)生改變，我想這個時代不會太遙遠(yuǎn)。

責(zé)任編輯：王潔