金属增材制造技术,及其对重大装备制造业的影响.docx

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1、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实力或者材料的性能水平受到限制。3D打印技术可以让大的、困难的、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：变更构件结构、变更材料、变更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。将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、高牢靠和长寿命，这是基本的趋势。在这种基本趋势条件下，制造这些大型

2、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，合金越来越困难，对它的限制要求越来越高。 另一方面，将来的装备制造零件也会越来越大，寿命越来越高，牢靠性越来越强。这时候，制造装备用的构件材料确定会越来越困难、越来越先进，装备的结构也会越来越大、越来越轻、越来越困难。与此同时，对制造技术的要求确定也是更智能化、低成本、快周期，这是基本的趋势。 对这些大型的、高合金化的、特别的合金大构件，采纳传统制造业技术，就受到传统冶金技术原理的制约。金属材料原来很简洁，它可以被处理得特别细，就像面粉一样，再在面粉中加入糖、盐，可以拌得特别匀称

3、，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，运用金属材料做小的构件没有问题，但假如做大构件，比如做101吨的或者几十吨的零件，面临的问题就许多。我们须要先炼出一大堆钢，但首先钢水不简单炼匀称，其次冷却得很慢。假设101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特别粗，晶粒大，化学成分就会特别不匀称。这就注定了构件芯部确定有气孔、不致密。因此，金属做小零件是可以的，做大零件不行。假如用粉末冶金，就是做10微米、20微米、101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实力或者材料的性能水平受到限制。从本质上

4、说，我认为目前到了天花板，将来短期内也不行能有实质性的进展，这是现实状况。由于大型构件制造实力的制约，导致装备技术进步也特别困难。比如，过去73年，歼击机的结构重量系数，即飞机的自重占飞机的重量一百零一分数，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溶化材料。通过快速溶化、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，这个零件或许须要花费30小时，或许50

5、小时，就能制造出一个特殊大的零件。而在传统制造方法下，须要先炼铸锭、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，是数字化限制的。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打印变更构件结构。我们现在谈得许多的智能制造，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，现在可能变成二一百零一个，原来辎重50吨，或许以后变成5吨，它

6、靠结构带来改变。材料特别重要，但是结构更重要。结构带来改变之后，以前做强度做结构探讨的人们可以发觉，3D打印就是把三维的东西变成二维来实现，构件尺寸、形态与结构无限制。 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，其好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行能锻出来的。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

7、比较简单的。假设现在一架运输机是101吨，起飞重量200吨，将来的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改变。 其次是变更材料。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困难结构制造，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、成分匀称、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

8、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，假如用传统的锻铸做出来的零件，不行能零件的任何部位都能精确限制。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打印的原理就确定了假如限制得好的话，它的特性就会好。 最终一个变革，是可能会变更重大装备的制造模式，可能会让装备的研制、生产模式带来改变。比如，3D打印从塑模起先，把粉、丝这些原料变成材料，同时变成零件，或许上面全部工作完成就在几十个小时之内，不须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。 须要补充说明的是，3D打印仅仅是制造技术

9、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须要了。3D打印之后也还是须要机械加工、装配、表面处理等过程。 现在，信息技术、大数据技术、模拟技术、仿真技术发展得特别快，或许将来我们须要的只是一台装备。这种状况下， 3D打印技术可以让大的、困难的、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。而假如采纳传统的技术，大型的、困难的、多品种的、单件的金属构件，肯定有性能差、成本高、肯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

10、人能够对3D打印技术有更多的关切，对大型金属构件的增材制造方面的探讨，能够更加深化。 3D打印技术带来的将是新一代的材料，基于特别冶金的新一代材料也是将来的发展方向。但是，关于3D打印技术的探讨，我们还有很长的路要走，尤其是基础探讨。假如没有基础探讨，那些概念和理念，不过就是讲讲故事而已。 本文依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。 第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页