王华明院士：高性能大型金属构件3D打印技术是变革性的，过去50年冶金技术进步缓慢

在2019年IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛上，南极熊遇到了北京航空航天大学教授、中国工程院院士王华明做了主题是《高性能大型金属构件增材制造若干材料基础问题》的报告。

下面是现场速记（尽管已纠正过，但仍有纰漏之处，敬请谅解；全文4700字。）：

我非常高兴能够来到这里，和各位专家讨论增材制造。我研究关于金属构件方面的增材制造，尤其关于高性能大型构件增材制造问题。

3D打印大型金属构件，材料是核心问题

卢院士让我讲讲用增材制造技术去做重大装备当中大型关键高性能金属构件这方面的问题，卢老师做的比较全面，我只做金属的3D打印，而且是金属3D打印当中做大型金属构件。我非常赞同卢老师前面说的，增材制造技术的发展一定需要研究，我们现在*缺的，相当于一棵大树，如果没有根，基础研究跟不上，其他就不行。如果做大型金属构件，我的理解这个技术能不能发展，材料是核心问题。

3D打印对于大型关键的金属构件至少关心：

*，打印出来的部件质量和性能怎么样，这非常重要。质量性能一定是和3D打印过程当中的材料金属问题密切相关。

第二，要走向应用，打印出来的东西，3D打印可以打印任何形状，任何尺寸，甚至说都可以，但还是有很多问题，打印出来的精度怎么样？其实我们很多地方不行，打印出来还需要加工，甚至没有办法加工，效率怎么办？这也是非常重要。

第三，不是什么结构都可以打造，比如打大型金属零件就容易变形，什么材料可以打印？有了3D打印之后，也有了更新的材料，这些为3D打印而生，可能为医疗解决很多问题。

3D打印技术基础研究要做好

*重要的问题，我相信*终是成本。一个技术如果走向应用，成本上没有优势是不可能的。质量性能决定能不能用，打印精度效率也决定了能不能用，也决定成本怎么样，材料、什么材料、什么结果，要解决这些问题。根本上是解决材料基础问题，3D打印过程当中材料基础问题，不是粉末，不是色彩，那叫原料，是通过3D打印这个冶金的过程，极端条件下的冶金，然后熔化、凝固、固态相变，*后形成材料。

我们从1989年开始做这个事情。卢老师刚才谈的非常好，希望金融界的人，投资界多投一些钱到这来支持更多的人，扎扎实实把基础研究做好，否则这座墙要倒，靠去干活的工人，靠偷点技术*多是三五天，*终起不来。

我后面材料科学问题讲的比较少，解决了一定的材料科学问题之后，增材制造技术做大型关键金属构件对未来有什么影响？我在讲的过程中不再讲材料科学问题，科学问题是极端条件下的冶金，极端条件下的凝固，极端条件下的固态相变，极端条件下的热力学的问题，这些问题都是以前不曾遇到。比如说在平风条件下的力学问题，线性的力学也不是那么回事。一开始了解重大装备当中的大型配件，重大装备的大型配件它是装备制造业的基础，也是瓶颈，也反映一个国家的工业综合实力，因为铸锭不行所以说后面要锻造，如果铸锭好了没有必要锻造，我认为锻造是不得已而为之。这条路我认为做大型构件的障碍在冶金，前面这一块阻力很大，偏析严重，疏松严重，这是现实。

实现大型金属3D打印现实问题与难点

现在发展的趋势，东西越来越小，但是飞机会越来越大，运载火箭会越来越重，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，制造这些装备大型关键的金属构件，在可预见的将来还是金属。金属毕竟是*安全，*可靠的一种材料。但是你如果把金属性能提高，我们没有别的办法，合金化，往里面加更多合金元素，合金越来越复杂，对它的控制要求越来越高，一切毛病处在这，将来合金元素根据热力学凝固过程偏析，没有办法解决的。

第二是零件越来越大，做小零件好办，偏析问题，凝固问题，很多问题都可以解决，但是现在要大，要整体，要轻，因为结构很大，结构大带来的毛病很难解决，结构大之后带来大的构件对于材料、传统冶金那是天花板。

某种意义上，过去50年以来，冶金技术的发展从原理上进步很小。

*后一个是复杂合金大型的结构带来制造的毛病，成本低不了，周期肯定短不了，装备技术的要求肯定高，这是现实。大型金属构件如果撑起大型关键金属构件制造，两个东西，一个是材料，一个是制造。我认为根是材料，那条腿不行这条腿就不可能行。传统冶金我叫原理性制约，它的原理就是这样，所以你没有办法。大型构件制造能力上不去，材料性能水平也上不去。航天发动机外盘原来是钨合金的，然后再去锻造，但是现在加了更多的镍，更多的钛，更多的物质之后偏析太严重，偏析太严重就容易断，它就裂。把它雾化成粉末，把液态金属吹成一百微米铸锭，原来做一堆的铸锭，现在做一个微米的铸锭，它是粉，你还能把粉收起来压成盘子，热力学的制约，我认为要突破高合金化材料的瓶颈，凝固还是*的一条路。

给大家看一个现实，根就是熔炼铸造这个环节中出了问题，后面再去做，现阶段我认为是机械。现在全世界*大的钛合金模锻件没有超过50吨的，铝合金的厚板可能没有超过300或者400。在这个现实条件，以航空为例，歼灭机制动占起飞重量的百分数从来没有低于27的，70年以来没有进展，这是一个现实。

其实讲金属材料很简单，技术材料像做面粉一样，假如说*细的面粉，面粉柔起来是实的，里面没有气孔，面条一定会拉的很长，一定会劲道，强度高，数据好。金属材料跟这个一模一样，金属材料麻烦在这，加了合金元素，只要一做大，化学不均匀、机理很粗，不致密，强度低，塑性差。现在3D打印可能为创造了一个条件，3D打印就是一层层往上加。

3D打印给金属制造带来的变革

在我看来3D打印有三个东西，

一是变革结构。

二是变革材料，把不同的材料组合在一块，或者3D打印过程中利用极端的条件，突破传统原理性瓶颈，突破发展新的材料。

三是制造模式的变革。

下面说金属大型构件。我一直讲通过极端的熔化，在极端条件下短时间冶金，和短时间快速凝聚变成材料，它的本质是出来一个冶金的毛坯。我们希望它以后越来越精，*好不加工，但是很难。这个技术影响有：

*个是3D打印本质的特性，你通过这种方式快速凝固，理论上说你可以做出很大很复杂，甚至不受限制的结构，你不再需要冶金装备。

第二个我们更关心极端条件下冶金极端条件下的凝固，真正把传统冶金的瓶颈突破，发展出来全新的材料，而不不限于现有的材料。

下面看一些例子，做大零件难，只要强度高，塑性差，做大之后一定会变形开裂，理论上说会非常困难。我们可以做出超大型的钛合金零件，其他方法是出不来的。

再给大家看更大的，可以做很多大的东西，但是很难，这样的东西传统方法去做，刚才这样的零件十几个平方米，不相信谁的锻件能打这么大。钛合金锻件不可能的，原来十几个零件很大的钛合金零件，这都是很大。我们增材制造的梯度材料做了十几年，梯度的结构材料，而不是说功能材料，这些东西很大，不同地方用的不同的钛合金做的东西，可以做的很大，但是很难，这个东西可以做很复杂的结构。

前面多位专家谈到优化，3D打印为结构设计的创新，或者颠覆性的结构带来机会，*大的影响是结构，一定*终是结构带来的影响，一架飞机原来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，你们以前搞强度搞结构的这些人再试试看，包括梯度材料，一方面梯度之后材料力学所有东西不适用了，都是全新的东西。

在航空发动机和燃气轮机上，喷嘴不是关键构件，我认为*关键的风扇、压缩机、涡轮压片、涡轮盘。2007年2月13号照的航空发动机高温合金盘，耐热钢450斤重钢机匣，性能上远超铸造和锻造。

3D打印可以做到零件，但是要做很多工作，*核心的我认为在3D打印过程中极端短时，超高温，强对流极端情况下实现合金化。水和油不可能混在一起，创造极端条件，水和油可以混合均匀，时间太短，这种情况可以突破传统的原理性制约，发展新一代的金属材料。现阶段这样的材料突破不了，我认为过去五十年来没有进展，质量有进步，技术进步，质量更稳定，性能更提升，这是现状。3D打印会带来真正的提高。

看一下例子，500吨的钢锭，500吨的钢水，炼的均匀就不容易，气体要少，杂质少，想办法得到一个好的铸锭，但是铸锭太大，中心和边可能相差几十倍，化学成分非常不均匀，后面要锻。一个孩子天生愚钝，靠后天教育费的力气很大，金属冶金也是这样。

整出来一个过程不行，后面再锻造，像揉面，揉半斤就可以揉动，如果50公斤就揉不动，但是你使劲揉，揉比不揉强。带来的变革，传统的缺陷和偏析，原来几个微米，几十厘米，超过微米尺度范围你认为均匀，通过原理性制约，可以设计出新的材料就是全新的材料，我做出来的零件理论上说任何一个点是可控的，可设计的，可重复的，锻件中心和锻件皮上一定不一样，3D打印这些问题都没有，这就是变革，设计师们可以不考虑位置效应，你考虑成本就可以了。这就是带来的变革。

举一个例子，其实就是小区域的熔化凝固问题，这个事情说起来容易做起来挺难，这么小的区域怎么控制它的形和控制它的生长？我们能做到，等轴装，也可以长成钢筋混凝土，不是往里面加钢筋，一部分连续长，调节它的间距和大小，*终控制晶体大小和曲象，这才是智能制造，不是一般智能制造，外形那个东西比较简单，这是材料冶金的问题。我把这个东西用在航空发动机的整体叶盘上，柱状晶，600吨的钛合金，高温持久，寿命提高6倍，蠕变量减少70%，这是全新的材料。

3D打印双向钛合金是结构材料用的*多的钛合金，我们可以控制它的相变，得到现阶段不层有的特种双态组织，和传统的双态组织天壤之别。这不光好看，带来的损伤容限性提高一个量级，没有高强度的损伤容限，要让它里面有裂纹不扩展，降低强度，提高塑性，所有金属材料无一例外，用的*多的钛合金是DT，强度达到56，疲劳特性百分之二三十的降低，这是所有材料没有的，什么叫革命，这就叫革命。

刚才卢老师谈了很多性能，天然就比锻件好，不可能做到微米级大零件，3D打印可以做到，所以它的关键性能就是比锻件好。

举个例子，说性能，材料性能*不是做一个数据，10余年300多批粉末，近10万余性能数据，工程上，基准值，99%可靠度，99%的置信度，你一定取*低，100%没有办法说，我们大部分材料没有这个值，3D打印数据分散性比锻件小的多。断裂韧性，平均值，说基准值多少，基准值比单键平均值高的多，这就是带来的变革。

不同的材料，零件不同的部位采用不同的材料和不同的结构，12年前做的，这是1989年做的，30年前做的。

影响三是变革装备结构和装备的研制模式，这个东西影响很大，刚才卢老师谈了做大飞机做一架和10架一样快，做大的复杂的一件两件一定贵，它的性能一定不好，现在可能做到。

装备模式，书记在2013年讲，3D打印这个技术可能会带来一些变化。原来我们实验室特别小，但是它可以干重工业干不了的事。

虽然前景光明，我们核心技术缺乏。这个方向是这样，现阶段来说不是什么都适合打印，可能打印贵的，还得有塑性，打零件大的，结构复杂好，未来的方向不是打现在贵的材料，现在塑形好的材料，打增材制造极端冶金新一代材料，这个材料将不是现在的材料，结构将来一定是变革性的，功能*优的结构，而不是现在的结构。

任重道远，做大型金属构件，高性能金属构件，没有材料基础，没有做长期的工作是不可能。谢谢大家。

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