金属增材制造技术,及其对重大装备制造业的影响

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能力或者材料的性能水平受到限制。3D打印技术可以让大的、复杂的、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：改变构件结构、改变材料、改变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。未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，制造这些大型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，合金越来越复杂，对它的控制要求越来越高。另一方面，未来的装备制造零件也会越来越大，寿命越来越高，可靠性越来越强。这时候，制造装备用的构件材料肯定会越来越复杂、越来越先进，装备的结构也会越来越大、越来越轻、越来越复杂。与此同时，对制造技术的要求肯定也是更智能化、低成本、快周期，这是基本的趋势。对这些大型的、高合金化的、特殊的合金大构件，采用传统制造业技术，就受到传统冶金技术原理的制约。金属材料本来很简单，它可以被处理得非常细，就像面粉一样，再在面粉中加入糖、盐，可以拌得非常均匀，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，使用金属材料做小的构件没有问题，但如果做大构件，比如做100吨的或者几十吨的零件，面临的问题就很多。我们需要先炼出一大堆钢，但首先钢水不容易炼均匀，其次冷却得很慢。假设100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非常粗，晶粒大，化学成分就会非常不均匀。这就注定了构件芯部肯定有气孔、不致密。因此，金属做小零件是可以的，做大零件不行。如果用粉末冶金，就是做10微米、20微米、100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能力或者材料的性能水平受到限制。从本质上说，我认为目前到了天花板，未来短期内也不可能有实质性的进展，这是现实状况。由于大型构件制造能力的制约，导致装备技术进步也非常困难。比如，过去70年，歼击机的结构重量系数，即飞机的自重占飞机的重量百分数，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融化材料。通过快速融化、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，这个零件也许需要花费30小时，也许50小时，就能制造出一个特别大的零件。而在传统制造方法下，需要先炼铸锭、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，是数字化控制的。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打印改变构件结构。我们现在谈得很多的智能制造，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，以前做强度做结构研究的人们可以发现，3D打印就是把三维的东西变成二维3/6来实现，构件尺寸、形状与结构无限制。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，其实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可能锻出来的。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比较容易的。假设现在一架运输机是100吨，起飞重量200吨，未来的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变化。其次是改变材料。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复杂结构制造，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、成分均匀、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，如果用传统的锻铸做出来的零件，不可能零件的任何部位都能精确控制。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打印的原理就决定了如果控制得好的话，它的特性就会好。最后一个变革，是可能会改变重大装备的制造模式，可能会让装备的研制、生产模式带来变化。比如，3D打印从塑模开始，把粉、丝这些原料变成材料，同时变成零件，也许上面所有工作完成就在几十个小时之内，不需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。需要补充说明的是，3D打印仅仅是制造技术当中的一种成型技术而已，并不是说有了3D打印，其他的制造技律亍就不需要了。3D打印之后也还是需要机械加工、装配、表面处理等过程。现在，信息技术、大数据技术、模拟技术、仿真技术发展得非常快，也许未来我们需要的只是一台装备。这种情况下，3D打印技术可以让大的、复杂的、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。而如果采用传统的技术，大型的、复杂的、多品种的、单件的金属构件，一定有性能差、成本高、一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。我也希望更多人能够对3D打印技术有更多的关心，对大型金属构件的增材制造方面的研究，能够更加深入