澳大利亚院士吴鑫华：航空材料选择性激光溶解中冶金问题和质量控制

澳大利亚技术科学与工程院院士吴鑫华：《航空材料选择性激光溶解中冶金问题和质量控制》主题演讲。

吴鑫华：女士们、先生们，早上好！
   
前面各位讲演专家们也提到了，3D打印材料是非常重要的，我是材料工程师，所以我今天主要讲一讲3D打印中的材料问题，尤其是在航空中的应用问题，因为航空中对材料质量要求非常严格。今天我用一些例子介绍一下，我们如何控制3D打印中材料指标问题。
   
我来自莫纳什大学，我们有增材制造中心，我还会介绍一下我们这个中心的特点，以及在航空中的新应用，最后讲一下对于金属材料来讲，尤其是对于航空材料来讲有什么样的发展方向。

   

莫纳什大学是澳大利亚最大的大学，有8万多名学生，最重要的是它的材料学科，非常强，现在全世界排第7名。
   
我们的增材制造中心成立于2012年，我以前是在英国工作，2012年转到澳大利亚工作。现在这个中心大概有40多人，主要是面向于基础研究，但最后的结果是要为工业界服务的。
   
这个中心的历史，我是1991年去英国伯明瀚大学，在欧洲有空客等等大的航空公司，我们跟他们长期有合作的关系，到了澳洲以后大部分客户也跟着我们到澳洲一起来参加3D打印的研究。在材料研究当中，3D打印只不过是加工工艺的一种，其实跟铸造和锻造或者是焊接都有重要的应用方向和价值。所以长期以来在材料结合过程当中，3D打印是我们必须研究的过程。莫纳什增材制造中心已经培养了上百个博士生，过去七八年大概有3000万澳元的经费。
   
目前有一个比较大的项目，是澳大利亚国家的一个项目，这个项目主要是从基础研究向成果转换的项目，这里面有工业界，主要由赛峰集团跟我们一起研究发动机里面的材料问题。
   
这个中心做3D打印应该是很多年前了，从2004年我在为罗罗（音译）公司工作的时候，就用3D打印进行密封圈的维修，这个技术进行了批产，在纤维激光还没有完全形成的时候，用二氧化碳激光已经做到了非常精确的应用。
   
这个中心在过程中也取得了一些成绩，最重要的是2014年，我们有四个发动机静止构件通过了实验，那个时候在赛峰集团还是一个非常重要的成绩，那个时候给我们发了一个创新一等奖，这对他们来讲也是一个里程碑。
   
为了更好的为工业界服务，也是帮助赛峰批量化生产，2016年我们跟赛峰集团形成了批量化生产的战略合作关系，包括我们为赛峰集团提供所有的技术支持和设备，在院内进行批量化3D打印发动机的构件。
   
今天我主要讲的是粉末床的工艺，把粉末铺在机器上激光来扫，激光在熔化金属过程当中会首先熔化这个金属，这个金属会固化，这个冷却过程是一个非常快速的过程，这个过程是非平衡状态，非平衡状态导致了材料形成的组织结构是非常细小的，而且所有材料都含有大量的残余应力。

在莫纳什大学研究过程当中，所有的研究，包括了整个3D打印产业链的研究，从前面粉末的开始，首先我们要知道帮助客户研究什么样的粉末是可以的，什么样的是不可以的，这里面包括了粉末的循环，就是循环多少次可以再使用，如何鉴定粉末的质量，最后还存在如何降低粉末的成本。第二是进行拓扑优化，这个优化不仅仅把一个形状优化出来，最重要在高温高运力情况下，优化的所有产品都要保证所有性能一致，包括拉伸性能，更主要是疲劳的性能，这里面存在非常复杂的优化和认证工作。工艺的优化是什么呢？取决于所有的材料，在跟激光结合的时候究竟产生什么样的组织结构，有没有裂纹。这是非常重要的，首先要产生一个完美的结构，后面才能产生后处理。实际上真正要达到产品的性能，所有的3D打印构件都需要进行热处理，这个热处理是真正材料学的处理，要对材料非常明白，根据这个产品结构的要求，在不同情况下选择不同的组织结构，才能真正进行3D打印最后的热处理。最后从我们打印的构件来讲，表面已经成了我的构件的一部分，所以表面光洁度非常差，如何提高表面光洁度，对于它的寿命是有直接影响的。所以这也是一个非常重要的部分。南极熊3D打印网编辑发布。
   
前面讲演者都没有提到缺陷的检测，我相信一会儿GE专家会讲到缺陷检测问题，缺陷是非常重要的一个方面。缺陷的检测，就是在直接个性化的产品当中如何进行缺陷的检测，这个检测不光是要检测，而且要降低成本的情况下如何去实现，实际上也是一个非常重要的问题。最后是如何通过适航认证，医疗要通过认证，国际航空也要通过认证，国际航空只有一个国际标准，这个标准是应该的，也是非常难做到的。

   

根据我刚才讲的顺序简单介绍一下我做的工作。在优化过程当中，刚才提到了拓扑优化，现在市场上也有各种各样的软件，举一个例子，在商业的软件有的时候并不具备3D打印的过程，这是一个发动机转子，如果我想把这个做出来减重的话，首先要了解它在做什么，这个粉末要导出来就要开一个洞，这个洞开在什么地方对它的寿命会有影响。我们大学合作进行了六七年的工作，开发了这么一个软件，通过这个软件我们设计了发动机的转子，今年3月通过了发动机的实验，它的标准是7万转，我们通过了84000转的转动。标志着3D打印究竟能不能用于转动构件重要的里程碑，也是我们上限的标准。这点我们已经证明了，确实可以做到。
   
我刚才提到，在进行工业优化的时候，我们针对每一个成分都需要工艺的优化，这个优化第一步就是参数的优化，这个参数包括激光功率、扫描速度、扫描间距这一系列的参数，要进行优化，从而使得整个产品做出来是一致的，这样才能保证大的构件做出来以后是平稳的，更重要的是机器性能是一样的。

   

这里演示一下，如果我打印的参数不好，有的时候就会出现空洞，你可能会讲我就挑最慢的速度，保证100%致密的，但是最慢的速度就影响到生产力的问题，所以这里面就要平衡，根据生产的要求选择一个最佳的参数。
   
刚才提到后处理的问题，后处理是非常复杂的，是真正的材料学的问题。怎么去后处理它？这也是根据产品的要求，有的时候有一些客观的供应商的要求，一般来说我要100%的致密，有的时候可能会采取一些手段，有的用户就说不行，我要排一年队去做，我不能接受，而且会增加费用。所以这里面会存在一些协调和平衡，要去跟用户结合。

我们采取热处理的原因目的是什么？是改变它的组织结构，第一是提高性能，第二是根据构件的要求，有的构件要求强度，有的要求疲劳，有的要求高温熔炼，所以从材料来讲，就是根据组织结构不一样满足各个材料构件的要求、性能的要求。组织结构不一样，就像花纹不一样，做出来的耐磨性、耐久性不一样。
   
再讲一下3D打印中材料常见的问题。镍基合金按照现在的标准去买材料，你买出来的粉末三批出来的结果完全不一样，有的是开裂的，有的不开裂，开裂的时候有的是长裂纹，有的是短裂纹，这意味着以前定的标准用于铸造或者锻造来讲，这个标准各个元素对于快速冷却的敏感性不一样，对开裂的敏感性也不一样。只有真正明白了各个元素对它的敏感性以后，重新在现有的标准下再加载一个标准，才真正适合3D打印，它并没有走出现有的标准，只是适合3D打印的成分范围要比铸造范围要窄很多。

   

刚才提到粉末的问题，大家觉得现在做粉末的非常多，谁都来做粉末，都可以拿来做3D打印，只要装在机器都可以用。实际上完全不是这样，讲一个简单的例子，如果粉末的尺寸大小分布不一样，有的是0—50微米的，有的是10—50微米的粉，要求的参数不一样，同一个参数做出来的密度也不一样。所以我们选择粉末的时候，一旦想真正做产品，必须要有一个粉末的规范，不可以随便变。

   

刚才还提到后处理的问题，很多人说后处理就是把常规的铸造件或者锻造的后处理拿来，直接应用于3D打印，实际上是完全不现实的。为什么呢？首先材料快速冷却之后组织结构是不平衡的状态，而且是非常非常细小的组织结构。如果我要想恢复到原来的组织结构性能，首先要求你的温度时间都不一样。还有一个，我们现在处理的是一个构件，而不光是一个块状的材料，这个构件有的时候有不同的厚度，比如发动机厚度有的2毫米厚，有的30毫米厚，在我们处理材料的时候，处理2毫米的条件和处理30毫米的条件不一样。现在在同一个构件里面，现在处理只能是同一个条件，为了最后各个部门都达到了性能的要求我们做了150种实验，才真正能够把工艺条件优化出来，各个地方满足性能的要求。这里面还有非常复杂的问题，包括残余率的消除，还有自然时效的问题，每一个热处理做完之后放几分钟、几天、几个月都不一样，你后面再怎么处理？所以所有的问题都必须要全部解决以后，才能真正找到一个优化的后处理的工艺。

在3D打印当中，我们发现最难的材料都是高强的材料，同样都是问题，这里讲一个高强的镍基合金和高强的钢，都有同样的问题，直接3D打印的时候会开裂，尤其是在镍基合金当中，强化项超过46%的材料都会开裂。这个开裂基本上温度可以加到200度是不是就能够解决问题呢？实际上也不能解决问题，这实际上是一个非常复杂的问题，目前在我们中心经过了非常仔细的、复杂的研究，最后我们终于把这个问题解决了，保证这个材料在3D打印当中不开裂，这在世界上还是唯一的。这里面包括了所有材料里面各个元素的影响，包括形状的影响，这个材料是用于发动机叶片的，你可以做出来1毫米厚的时候全都开裂，做10毫米厚的时候全不开裂，所以这里面有形状的影响。当然还有加工工艺条件的影响，所以是一个非常复杂的过程。
   
为了完成这个任务，除了要考虑我们刚才说的这些问题，实际上更重要的是需要计算机的模拟，这个模拟必须要真实的模拟，这里一定要模拟它的非平衡状态的固化，才能真正把这个问题解决，当然还有一系列材料的参数。所以我们在做计算机模拟的时候，有9个不同的条件都必须考虑进去，最后才能真正把温度场和温度梯度以及残余率分布计算出来，才能最后找到一个最佳的加工工艺，就是在什么情况下做出来不开裂。当然有了这个基础知识之后，就可以应用到其他的镍基合金中去。

     

在研究工艺的过程中我们也研究材料，研究新的材料，就是哪些材料利用3D打印快速冷却的过程，如何研究适合3D打印的材料。我们研究了两个材料，一个是高强铝合金，红线是指现在我们研究出来的高强铝合金，这个材料可以使用到250度高温，所有的铝合金目前都是使用于100度以下，有了250度的高温，在发动机前端以前是用钛合金的现在可以用铝合金代替，可以进一步降低重量。一般的铝合金，现在市场上所有的铝合金屈服最高是280左右，一般260度左右，这个强度是580，比它高一倍，而且这个材料有非常好的特点，就是它的后处理非常简单，前面所有的都需要三步后处理，这个材料需要一步后处理就可以达到这样好的性能。
   
我们研究这个材料的时候也是有原因的，当时我们的客户赛峰集团给我们提出来这个要求，他希望有代替发动机前端的钛合金应用，所以给我们提出来这样一个要求，我们就根据250度使用的情况，在这个温度下材料的强化机理是什么，通过这个强化机理配置相应的元素，再来形成这么一个合金。我们也知道，形成一个合金有的时候可能需要几十年，但是我们一旦理解了它的强化机理在配置这个合金的时候，整个合金研发只花了12个月时间。所以真正做材料的研究，如果你了解了材料机理以后，实际上研究新的材料并不难。
   
我们还研究了一个高强的钛合金，钛合金一般屈服强度850左右，塑性大概10%，这已经有几十年。在这么多年情况下，实际上钛合金的研制是非常缓慢的，就是因为后面再研究什么新的钛合金都已经非常困难了。我们研究的钛合金还有一个特殊的用途，这个钛合金除了3D打印以外更重要的是根据钛合金铆钉研制的，铆钉研制实际上最难，这个材料性能经常是矛盾的，要三个性能同时增加是非常困难的。我们了解了这个材料的机理情况下，改变了所有材料晶界结构，使得三个性能同时提高，这在学术上来讲也是一个非常大的成功。

   

下面我简单介绍一下3D打印国际适航上的工作。2012年科技部邀请我回来建立了飞而康，一直是生产钛合金粉，为了提高钛合金粉的质量我们做了很多细致的工作，这个粉包括3D打印工艺，最后达到了国际航空标准，装到了C919飞机上。大概有29个构件，通过3D打印的工艺达到国际航空标准，这在中国可能还是唯一的，在这个过程当中大家也问我，你究竟做什么样的工作能够达到国际航空标准？我们做了10.5吨的材料，做了非常多的实验，最后证明这个材料是可靠的才用到了民用飞机，生产的时候必须是天天一样的，年年一样的，25年都一样的，才真正能够达到民用航空的标准。
   
（PPT图示）这是一些构件，大部分是在飞机门上面的。这个工作做完了以后，现在莫纳什大学也跟商飞签署了战略性合作，我们帮助商飞培养一些3D打印的人才，进一步帮他们做一些研发工作。

   

3D打印未来发展什么样呢？在所有3D打印客户当中，尤其是航空界，现在最大的问题是打印效率，如何降低成本的问题，这个成本如果要EOS，折旧费占60%，为什么有这么大的成本，不是说EOS机器特别贵，这是次要的，更重要的是机器的效率不适合3D打印批量化生产，这些机器是研究用的机器。研究用的机器，说明里面很多待机时间很长，浪费的时间很长，所以要想降低成本，必须要把这些问题解决。航空客户给我们提出这个问题来，通过最近两年的努力，我们重新研发了一个3D打印的机器，这个机器目前叫AmPro SP，这个机器的效果，能够使3D打印构件成本降低80%。
   
我们在提供机器的同时，现在设计的是整套的系统，这个系统包括粉末的前处理，包括3D打印和粉末后处理，无论在航空也好、医疗也好，其实真正要达到一致性重复性的批量化生产，首先粉末必须是一致的，后面循环过程当中也不能带进来污染。所以我们现在研发了一整套装置，前面粉末的前处理，保证所有的粉末进到3D打印之前必须是完全一致的，而且所有的装粉的装置有一个二微码，这个二微码使得所有粉末的历史可以在计算机输入，可以永远保持它的历史，可以保持25年。后面我会讲到在粉末循环过程当中如何保证干净。
   
经过非常复杂的分析和设备的对比，根据我们的机器，我们的工艺，我们可以把生产构件单价成本跟EUS相比降低82%左右。这里面还有航空质量的控制技术问题，粉末从开始到最后是不见空气的。另外在3D打印当中有一些烟的问题，这个烟对我们来说就是氧化物，这个氧化物掉到粉末是污染，对寿命是有影响的。所以如何除烟我们请了专家做了大量计划和模拟，最后选择一个最佳的除烟的装置，来控制除烟的效果，达到舱内是非常干净的。当然还有工艺优化的问题，如何把3D打印参数全部官属到机器里面，使得处理完了一次全部就能达到性能的要求。
   
我们打印完了之后，尤其是大的构件要处理里面残余的粉非常困难，发动机里面有很多管道，为了处理残留的粉一般来说有两个工人，一个人提着，另外一个人用高压枪去吹，吹的满天都是粉末，这个不符合要求的。我们研制了两个辅助设施，把这个构件装到这个盒子里面，同时装了气枪，根据材料的要求可以360度旋转，把残留的粉末清除。以前清楚这些大的构件的时候，要三四天才能把这里面清干净，现在有了这个装置之后10分钟把所有残余粉清理干净。所以也是3D打印辅助的设备，尤其这个设备可以为其他的兄弟厂设备配套。两个设计不一样，因为大的构件平衡是非常困难的，因为我们的构件做出来有时候上吨重，它需要更好的平衡。最小的250X250，我们就设计了非常漂亮的粉末的除粉装置，它跟机器上的铆钉都是配套的，直接装进去就可以使用。所有粉也是在非常保护的、安全的情况下进行的回收，后面就可以重复使用。

   

整个公司除了提供机器设备以外还提供材料，我们也帮助客户建一些生产线，包括3D打印的实验室或者粉末的生产线，从医疗的产品方面我们也做了医疗产品，这些产品当然跟九院比相差非常远。但是从材料来讲，我们更注重于材料方面，使得它能够满足国际医疗的标准。当然从航空来讲，我们不断努力跟客户合作。

   

目前3D打印只会向前，不会往后。这不光是一个政治性的原因，而是整个世界已经意识到3D打印的价值。在这个价值当中，我们也意识到3D打印又有自身的局限性，但是它也有非常大的优点，只是在于我们如何去开发适合3D打印的应用市场和领域，因为有的地方可能觉得3D打印不适合，不适合的就不要去强求，但是3D打印有它的特点，它一定会继续往前走，而不会倒退，所以这点是不可分辨的。真正成功的3D打印应用，我们应用到最后的时候都在于性能，这个材料构件没有性能是没有办法应用的，真正的性能都在于基础研究，一定要有基础研究，尤其是有材料研究的支撑，没有这个支撑最后只是一个形状而已。所以一定要用好材料基础的研究，不是等到后来，今天在座的大部分是搞材料的人，实际上这就是我们的本质工作。
   
今天我简单介绍了一下3D打印材料研究的范围，谢谢大家。