南京航空航天大学教授顾冬冬：航空航天高性能轻合金构件激光增材制造形性调控

2019年9月19-21日，IAME中国（西安）国际3D打印博览会暨高峰论坛将在西安高新国际会议中心举办。2019IAME旨在搭建增材制造（3D打印）科技创新的开放合作共享交流平台，汇聚全球顶尖的增材制造（3D打印）领域成果及人才，促进行业各环节、产业链的衔接融合。南极熊作为战略合作媒体，到西安现场全程报道。

2019年9月 20 日“增材制造技术与航空航天论坛”，南京航空航天大学教授顾冬冬做了主题是《航空航天高性能轻合金构件激光增材制造形性调控》的报告。

下面是现场速记：
非常荣幸有这次机会和大家交流一下我们南航的团队在航空航天高性能轻合金构件上的一些工作，我们在高校做增材制造的研究，我们的工作更加的偏向于技术成熟度在4和5之前的一些工作，今天和大家汇报一下。

首先是简要的背景，增材制造是美国、中国关注的技术，各个国家对这个技术有一些布局，从我们高校落说，我们是国家自然科学委员会对这个基础领域有布局，力求获得新原理、新工艺、新方法，这个技术是世界各国竞相发展的关键核心技术。

我们看增材制造，尽管它在大众媒体上纷繁复杂，面向激光的增材制造主要表现出这两类发展技术，并且呈现两种不同的发展方向。第一种是面向大型构件制造的激光熔化沉积的LMD技术，第二个就是面向精密构件，选区激光熔化SLM技术，有利于支撑精密的构件，激光技术这两类增材制造技术，它是提升航空航天领域设计和制造能力的重要技术手段。

今天早上从8点到现在，我们在楼上举行增材制造设计的高校组竞赛，我们看到是现在越来越多把设计和增材制造相互结合起来。我们来看一下面向大型构件成型的激光熔化沉积技术，它是在传统的激光熔覆技术基础上发展而来的，可以做大型的构件，也可以做修复再制造、表面涂层制备和再制造等等，由于成型原理，它需要一些后续的机加工。

第二类是金属构件激光增材技术SLM技术，激光自动铺粉的选区激光熔化技术，厚度20—50微米，可以做一些相对精度比较高的构件。这样一个基于粉仓法的技术，有它的发展渊源，最早是由美国Texas大学Austin分校发明的，戴维现在还很活跃，美国增材制造路线图主要的起草人，2005年之后我们发现激光技术有一个长足的发展，特别那个时候有光纤激光器了，研发金属构件的成型，快速把SLM技术转移到德国一系列公司，德国技术的源泉更多是来自FLT

我们来看一下，如果从过去选区激光烧结到熔化，虽然只是一个字母的差别，背后的成型机理是完全不一样，2004年的时候用选区激光烧结做工业成态，那时候没有很高的工业激光器，表面是非常粗糙的，有很多孔隙率，2010年我们用工业激光熔化来做，表面是非常致密，而且故，金属粉末经过连续熔化的过程，所以性能提升是非常显著的。

我们来看增材制造，国内中国的术语起得特别好，就是增材制造，每个字都对应了一个非常好的科学的内涵，我们讲这个增字就是如何一层一层往上堆积，讲材料就是材料的设计，谈到制造就是结构和性能，贯穿其中的一定是基础理论和基础科学，增材制造材料结构性能一体化是我们经常说的一句话，增材制造科学内涵本身决定材料性能结构一体化。

我们看一下目前我们的一些工作，比如说增材制造的结构和性能做了哪些呢？现在特别在航空航天的应用驱动体下，这些多孔点阵材料获得了非常大的应用，同时引入了拓扑优化设计，这样可以减重，最重要我们把以前很多组件变成整体的构件，特点是结构减重、内力分布更加合理化，最终提高使用寿命，现在通过拓扑优化结构实现轻量化和高性能是现在增材制造发展一个非常重要的方向。

同时讲材料可以发现，它的进步非常明显，我们发现现在增材制造使用材料的熔点在不断在提升，伴随着熔点提升，材料加工的难度在不断增加，如果我们能被这样一些难加工材料进行非常好的增材制造，它所获得性能的提升更加显著，不管怎么样，特别是对于这些难加工的材料，它的增材制造非常依赖于对材料组织和空间布局的宏、微观的跨尺度的调控。

我们学校也在国家航空航天这个领域，目前我们在全球这样一些比较知名的航空航天企业，他们做的工作我们做了认真的梳理，借此机会和大家分享一下，比如先谈ANSA，ANSA是一个非常雄心勃勃的一个组织，比如说现在NASA在空天制造上做了非常多、非常前沿的工作，它现在已经把3D打印送到他们的空间站，现在我们国家也再做，NASA已经在行动了。比如说利用这样一些太空织物，就是把难加工材料以及面向金属的增材制造相互结合，可以做这样一些太空的纺织织物，说白了就是整体构件柔性的成型。一些面向空天探索，比如空天探测器的车轮，发射之前可以重叠，到空间可以展开，可以节约空间，他们做了很多的一些工作。

和NASA相对应，我们看看ZASA的战略，他们强调绿色可持续，他们比较看中有效、低碳的制造，做了很多工作，他们在未来月球基地的打印上走得很靠前，月壤、火壤的配方我们国家都知道，如何如何在空天实现打印，我觉得最好的方法就是就地取材，我们现在可能这样一些就地取材的打印，可能会在比较遥远的未来，但是现在在地球上可以非常好的来了解地球的土壤、火星的土壤到底是什么成分，至少在地球上实现对于难加工材料的打印，未来月球基地的建设，结构设计也是需要的，能承受一定恶劣环境的结构设计非常重要，ZASA做了纳微性框架，国内也在做，典型的整体化结构的制造，还包括一些燃烧室的典型构件。

GE增材是非常雄心勃勃的企业，在军事、医疗、能源领域一系列的布局都有非常好的布局，大家看这样一个动的小结构，大家现在都在打，但是它的确代表了一个方向，未来打印出来的一个构件，它本身是可以实现一个机构的打印，这个就非常重要，不仅仅是一个静态的零件。GE为什么雄心勃勃呢？它在自己的打印设备上，特别是它材料研发上做了大量的工作，包括自己还做了一些软件，一个企业如果雄心勃勃发展3D打印，这样一些全链条式的布局还是很重要的，包括GE的陶瓷机辅材，我们在文献报道和媒体报道听到很多，这样的陶瓷机辅材如何制造它还是很有难度，这些难加工材料必将成为下一代增材制造非常重要应用的对象。

诺玛（音）公司是非常低调的公司，但是它在增材制造做了非常大的布局，它实际上在整体大型的金属构件，包括一些难加工材料，无论是激光还是电子束做了大量的一些工作，他们是属于做得很多，宣传很少的公司。

西门子，我们跟西门子有很强的合作关系，西门子在面向燃气轮器的高温材料的打印上，他们走的还是非常靠前，无论在德国本土还是欧洲其他国家的布局做了很多相关的工作，其实就是说我们现在面向高温合金，我们在国内核心就是718、625，相对而言这两类高温合金还是比较容易成型的，如果我们再来看更多的高温合金，它还有很多裂纹敏感性等等一系列都会成为问题，高温合金以后服役温度提升，一定要在625、718常用的高温合金基础上进一步提升。

波音公司虽然是一个商业化的公司，但是做了非常多、非常有趣的工作，有一个例子，打印出世界上最轻的结构，这个结构放在蒲公英上面都可以放得住，非常好的体现了大型的商业公司在基础研究领域做的一些工作，这个是非常有意思，现在它整体的布局包括金属的打印，还包括一些钛纤维增强的辅材料的打印，还包括混合3D打印，什么是混合3D打印？在打印的同时把电子元器件同时集成进去，就是功能驱动的3D打印，这些他们都走得非常靠前。

空客这些报道大家一定不会陌生，你每次坐空客飞机商务舱和经济舱中间有一块就是这个结构，这个用（英）打，欧盟对国内禁用，国内做了类似于这个合金体系，对于这个材料体系我个人是比较看好的，未来如果替换铝硅镁，未来可以用这个材料替换，这是我个人的一个观点，可以进一步的商讨。

我们现在南航，我所在的江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室，是江苏省发改委给我们支持的一个实验室，我们那会还不叫3D打印，还是叫快速成型，2009年我在德国研究所做了两年多的工作，后回国，其实我在2012年发表国际材料评论综述，我们可以体会到我们这个行业发展得特别快，我这篇综述现在已经有接近900次引用了，说明了增材制造这些年发展非常快。

2017年江苏省发改委成立了这样一个工程实验室，去年我们拿到江苏省一等奖，我们团队主要是做高性能金属材料的激光增材制造，我们做市面上商业化没有的一些粉末，我们调控激光生产制造工艺，实现复杂构件的成型，对于喷粉的方式我们标准的是内壁难加工的一些成型。

这一张片子是我在2016年的时候科学通报应用版写了一篇展望，我做了一点思考，可以和大家探讨，我觉得材料是有多样性，传统在选材基础上设计一个结构，然后用3D打印工艺做出来，最后获得一定的性能，但是传统的方法是被动的实现一个性能，选材、再设计、再加工，最后获得一个性能，但是这个性能获得是被动的，未来我们要主动的实现这个性能，我们要获得什么性能和功能，自己主动设计结构、材料也去设计，甚至我们所需要获得的功能或者性能的本身也需要设计，未来的发展一定是反过来的，就是性能驱动的一个主动实现的过程。

美国增材制造的路线图说材料性能，基于设计方法学材料性能一体化，都人为设计它。特别是对于增材制造，增材制造实际上是一个典型的跨尺度的一个研究，比如说我们去研究这个构件组织，它一般是微观尺度，同时我们去研究它的力学性能，更多是一个宏观尺度，在这中间我们经常要问答一个问题，比如说我们用金属粉末，金属粉末是如何吸收激光能量的，这就是典型的借光尺度的问题，它完全是一个跨尺度的工作。

特别是增材制造在材料领域，我们来看一下德国，德国在过去十年在设备上做了大量的布局，我们团队参加了德国基金会一个项目，研究下一代的增材制造材料，它在重大专项里面，1300万欧元的项目中布局下一代增材制造的材料，德国人的布局可以给我们非常好的启示，设备研发到达一定阶段，紧接着一定是材料和工艺。我们在基金委的机械工程学科拿，我们从高校做研究的角度讲，基础创新，我们在目前这个阶段，考虑未来10年内需要用什么材料，我们尝试把这个作为定义的发展过程。比如说现在我们站在使用角度的讲，做难加工的材料是增材制造非常重要的应用对象，比如说钛铝合金，高裂纹敏感性的问题解决了，其他铝合金的裂纹就不是问题，比如说镁合金，虽然说镁合金的设备欧盟对我们禁运的，但是粉体对我们不禁运，镁合金做血管支架和生物融入体，它的降解能力强，人体可以吸收，对我们禁运最主要的原因，镁合金会成为下一代高速飞行器一个非常好的侯选材料。

这个是德国激光所面向镁合金的打印，其实镁合金打印还是很危险的，我在南航一直想弄一台镁合金的设备，我到现在还没有下定决心，特别是北交大发生了镁粉的事故，还是比较危险的，一定要防止它的爆炸。镍钛合金是面向4D打印智能金属材料是非常好的应用的对象。在未来如果我们做发展材料，肯定是多材料的打印。我记得这句话是2016年参加基金为双青论坛的时候，我想出来的一个词，我正在听一首歌曲，我想出这么一个口号，这一定是未来做增材制造非常好的，我们当时也尝试翻译它，正确的材料放在正确的位置，后来想想材料没有正确与否的区别，后来我们又说把合适的材料放在合适的位置，但是没有说出原汁原味的感觉，在报告中我们用的还是英文，就是Right  Materials  in  Right  Postiol（音）。

科学这篇报道非常典型的多材料的应用，依赖于宏微观非常精准的调控。如何推开3D打印的限制，自然13年就有了文章，怎么推开3D打印限制，他当时提出向自然界借材料，突出生物仿生，我们现在突出很多结构的设计，其实自然界有上亿年进化优化的结构，可以给我们提供非常多的灵感，你探索自然和科学上的报道，世界上3D打印模仿最多的一种结构就是蜘蛛网，这句话是我总结的，结构是容易仿制的，但是用增材制造做它很难，最难的是里面的科学问题，昨天王院士在这个讲台上给我们说基础研究很重要，也很难，我非常认同，比如说我们做这个增材制造，要想材料结构性能一体化有赖于非常多基础问题的解决。

我介绍一下目前和航空航天结合比较多的材料，比如铝硅辅材，铝硅我们用了好多年，09年10年我们在激光压成的时候做了大量铝硅实验性能的研发，然后我们发现它的性能提升有瓶颈，它要突破350兆帕很难，我们提出来用陶瓷增强它，我们做了非常多的陶瓷。但是如何来优化这个陶瓷在金属粉末里面的配比，包括它的分布，我们做了大量的模拟工作，一个最直白的问题就是加进去陶瓷之后，这样的铝合金颗粒复合颗粒对激光如何吸收，且借光尺度的模拟工作，我们经常讲熔池行为，熔池本身如何形成也有科学问题，我们把这个工作再往前推一步，就是这个颗粒是如何吸收这个激光能量的，我们做了相关的工作，同时用试验证实它。我们再从基础研究角度讲，经常形成孔隙和裂纹，熔体对基体没有很好的润蚀性，我们尝试揭示熔体如何润蚀性的机体，这里实际上对粉末置备的要求很高，包括一些变形机制我们要解释，我们做了微米尺度、我们又做了纳米尺度的，做了非常多的工作，我们现在整体在优化的参数情况下，可以获得一个复合结构。

同时，我们研究了加进去纳米陶瓷之后，到底是怎么影响机器的，我们发现加入一些纳米陶瓷是非常显著影响硅的分布，纳米陶瓷加进去以后，通过改变机体的组织最终影响它的性能，通过EBSD，我们发现和自然那篇文章非常类似的工作，加进去纳米陶瓷项之后，可以变成非常稀有的等轴金，它发表之后我们可以找到很多共通的地方，特别是理念上的共通，我觉得对性能提升是非常有好处的。现在对加工完的辅材，性能比没有增强的铝硅材料有一个非常明显的提升，而且提升是非常明显的，我们做了很多典型的构件，这样管路、框体的。

第二个就是高强稀土改性的铝合金，我们现在做了大量的研究工作。这个材料很难，当我们第一次把这个粉末拿到手，我觉得这个粉末应该很好，球形度很好，往设备一倒像面团一样，我说赶紧停下来，不可能做起来，对于粉末我们如何处理它，我们积累了很多经验，现在我们可以很好打印一些高强铝合金，铝镁的合金，铝镁这个材料通过原位吸收项起到强化的作用，我们揭示锆和钪这些元素，利用高分辨的定律去揭示它。大家去买铝镁粉末，现在市面上也有商业粉末卖，为什么有的粉末是一千块钱一公斤，有的材料是三千块钱一公斤，取决于稀土元素的含量，低抗含量和高抗含量都可以打印起来，这是像图本身决定的，但是性能本身有差异，而且我们发现这个材料的打印必须要结合后面的后处理的，特别是通过后续的处理，可以使性能有显著的提升，我们做了大量打印的试验，这是今年上半年我们做的一些结果，我们基于这些标准做的结果，这些结果现在还是挺好的，铝镁这个原始的延伸强度是350兆帕左右，延伸率提升23%到25%，后续热处理强度达到500兆瓦以上，13—15%的延伸率是铝硅的两倍以上，这个才来未来非常重要，关键我们发现这个材料耐腐蚀性特别好，我们做了大量的工作，工作都已经发表了，腐蚀性能很好。

我简要的介绍一下我们课题组开展的高强铝基辅材和铝合金方面开展的工作，对于未来我做出一些个人的思考，不一定对，我跟大家分享一下，以激光熔化来举例，07年德国Fraunhofer激光技术研究所ILT获得SLM全球发明专利，13年大量氢氧化的结构，性能的提升，那时候提出控性，更唱的未来，未来新材料、新结构、高性能、多功能一定是一个发展的方向，特别是对于新材料的研发，往往强调复合材料、多材料的设计，其实我们去看看科学的一些工作，去看看中国科学院院士写了一篇展望，就提出要解决传统金属材料的一些缺点的话，我们要强调复合材料和多材料的设计，卢院士看得非常之远。

新结构这个也非常重要，我们也去尝试，就像第一个例子我已经讲了，自然2013年就说如何推广3D打印，强调生物仿生，2016年这篇文章也给我们非常多的启示，这个打印的零件是一个镍合金，金属边上两个变形的行为表现为非常好的超弹性，为什么会有这个超弹性，就是大跨尺度设计，它不是一个常用的名称，我们常用的是跨尺度，现在强调是大跨尺度，实现从最小的支撑单元到宏观尺寸六个七个数量级大跨尺度结构，一定会引起性能和功能突破性的变化。

最终，现在我们讲的很多的金属都是高性能的金属或者合金或者复合材料，现在我觉得比较重要的还有功能性。大家在高校工作的很多人都知道，我们创办了一个期刊是《增材制造》，这个影响因子已经达到7了，这篇文章就是这个主编写的，高进程3D打印提升构建了功能性，发在科学上，未来更多的要强调功能的打印，卢院士在中国工程院创刊号发了这样一篇文章，我是逐字逐句读了好几遍，建议大家读这个综述，这个写得非常好，非常高屋建瓴，增材制造一定从控形到整体制造，同时微纳尺度拓展实现更多的功能性，未来增材制造强调整体结构以及多功能的复合。

总结一下，增材制造创新要素有多相材料的设计，大跨尺度的新结构，还有激光增材制造的精准调控，这里有很多挑战也值得我们进一步深入的研究，这是我一个简要的汇报，这是我的联系方式，谢谢大家！