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

3D打印人物
2019
10/31
10:48
分享
评论
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。
1.webp.jpg
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
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,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,我们现在最缺的,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:
第一,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。
2.webp.jpg
△南极熊配图:杭州·2017中国增材制造大会上的大型金属3D打印结构件,技术源于王华明院士

3D打印技术基础研究要做好

最重要的问题,我相信最终是成本。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,最后形成材料。

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,靠偷点技术最多是三五天,最终起不来。

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。
3.webp.jpg
南极熊配图:王华明(右二)和团队成员查看3D打印的整体叶盘的质量,图片来源北京航空航天大学

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。金属毕竟是最安全,最可靠的一种材料。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

最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,凝固还是唯一的一条路。
4.webp.jpg
△南极熊配图:杭州·2017中国增材制造大会上的大型金属3D打印结构件,技术源于王华明院士

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。现在全世界最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,假如说最细的面粉,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,最好不加工,但是很难。这个技术影响有:
  • 第一个是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,最大的影响是结构,一定最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,我认为最关键的风扇、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,最核心的我认为在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,最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最多的钛合金,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,用的最多的钛合金是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,材料性能绝对不是做一个数据,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,你一定取最低,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,功能最优的结构,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。

回复

使用道具 举报

推动3D打印

关注南极熊

产品库

联系QQ/微信9:00-16:00

392908259

南极熊3D打印网

致力于推动3D打印产业发展

Copyright © 2019 南极熊 By 3D打印 ( 京ICP备14042416号-1
快速回复 返回列表 返回顶部