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。
△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。
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。
△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，
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：
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。
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