金属增材制造技术及对重大装备制造业的影响

 
摘要: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。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。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,一定性能差、成本高、一定产品周期长。3D打印会给金属制造带来三个方面的变革:3D打印改变构件结构;改变材料;改变重大装备的制造模式。所以3D打印带来了制造领域的颠覆。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。
 
 
    今天我讲的是重大装备中的结构材料和金属构件增材制造。这其中关键的技术是3D打印,它既是材料技术,同时也是制造技术。
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,再有就是制造工业。未来装备制造的发展趋势,一方面装备越来越大,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,在可预见的将来还得是金属。但是,如果把金属性能提高,就是把金属合金化,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,周期要快,这是一个基本的趋势。
对这些大型的、高合金化的、特殊的、合金大构件,用传统制造业技术,就受到传统冶金原理的制约。金属材料本来很简单,它可以被做得非常细,就像面粉一样,再加糖、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。现在问题出在哪里呢?在于金属材料目前做小的构件没有问题,但如果做大构件,比如做个100吨的或者几十吨的零件,先炼出一大堆钢,面临的问题很多,如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,冷却20天可能都冷却不下来。冷却速度一慢,钢水结晶的晶粒就会非常粗,晶粒就会很大,化学成份就会非常的不均匀。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,从本质上说,我认为是到了天花板,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年以来,歼敌机的结构重量系数以及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,然后制备出材料。通过3D打印,可能制造出一个零件,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。我们现在谈的很多智能制造,大多还是外形的东西。但是在我看来,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,以前搞强度搞结构的人们可以发现,3D打印就是把三维的东西变成二维来实现,构件尺寸、形状与结构无限制,最大的优势是改变装备构件结构。
例如一个钛合金的构件,用传统的方法去做会很困难,可能开一套模具就是上千万元。比较大的钛合金零件,其实用传统的方法是做不出来的。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。运载火箭上四个零件,就让这个火箭减重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,那未来的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3D打印过程中利用极端的条件,突破传统冶金对材料制备及性能的原理性瓶颈,实现新一代高性能制备与复杂结构制造,突破发展新的材料。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,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打印的晶粒细小,成分均匀,性能优异。传统冶金制造根本做不出来的材料,3D打印可以做。比如要往铝合金里面加钨,钨的熔点3千多度,铝的熔点只有600度,我们用传统的方法,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。
另外,最重要的是,如果用传统的锻铸做出来的零件,不可能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。它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。举个例子: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,这些零件被拿去做加工、做装配,都可以。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,其他的制造技术就不需要了。后续的制造也还是需要机械加工、装配、表面处理等,3D打印只是一种成型技术。
   大家想想看现在研制飞机可能要用多少年时间。信息技术、大数据技术、模拟技术、仿真技术发展得非常快,也许未来我可能就要一台装备,两个月就能做出来。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,一定性能差、成本高、一定产品周期长。所以我说3D打印带来一种制造模式的变革,真正带来了颠覆。
    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。我们原来的实验室非常小,用两台3D打印机,做着很多传统重工业根本做不了的大型关键构件的零件生产。我也希望更多人能够对3D打印技术有更多的关心。现在人人都在说3D打印,其实真正在做3D打印研究的、做基础的、核心技术工作的,我认为1%都没有,少之又少。尤其是做大型金属构件增材制造,这方面研究得非常少,有很多问题要去研究。
    我相信3D打印技术带来的是新一代的材料,基于特殊冶金的新一代材料,是未来的发展方向。但是,关于3D打印技术的研究,我们还有很长的路要走,尤其是基础研究。如果没有基础研究,那我们就是吹吹牛,讲讲故事而已。