金属3D打印或引发重大装备生产模式变革

金属3D打印技术：引领重大装备生产模式的变革

随着科技的飞速发展，增材制造（又称3D打印）技术已成为当前装备先进制造、结构设计和新材料等技术领域的热点方向。特别是金属3D打印技术，作为3D打印技术的重要分支，其在高性能金属构件的制造中发挥着重要的推动作用。

金属3D打印技术以其数字化、智能化、低成本、短周期的优势，突破了传统零件成形和加工制造技术的原理限制。通过简单的“二维数字打印”，就可以直接制造出任意内部结构和外形、几何尺寸的高性能三维复杂结构，不依赖于传统工业基础设施。

对于制造工业及国防重大装备中的大型关键承力结构，金属3D打印技术将引发重大装备生产模式的变革。传统金属制造技术面临晶粒粗大、组织疏松、化学成分偏析等问题，影响了大型金属构件的成形制造能力和构件性能。而金属3D打印技术则拥有超高温、强对流的“微区超常冶金”特点，能使金属的凝固冷却速度高达数十万摄氏度/秒，从而摆脱传统制造的原理性制约。

利用金属3D打印技术制造的构件，其内部质量和性能不仅不受零件尺寸、壁厚、位置的影响，而且可以在打印过程中“随心所欲”地控制合金熔池的熔体冶金状态、凝固冷却速度等，实现对零件不同部位材料的化学成分、晶粒尺寸、形态和取向以及微观结构的主动控制。这意味着可以充分发挥不同材料的性能优势，将不同材料按需设计，定制于零件的不同部位，使增材制造梯度金属材料构件具备单一材料无法匹敌的特殊性能。

以飞机制造为例，金属3D打印技术将带来革命性的变化。目前，一架大型客机的机体结构零件数量众多，但如果采用金属3D打印技术生产大型、复杂、整体、高性能、轻量化构件，那么零件数量可能会大幅度减少，同时降低飞机自身结构重量。结合模拟仿真技术，飞机的研制生产周期也有望大幅度缩短。

尽管金属3D打印技术具有诸多优势，其在重大装备研制和生产中的推广应用还不多。为推动其广泛应用，我们仍需在工艺、设备、材料、质量性能控制等方面实现突破，解决打印零件尺寸受限、打印效率低、零件质量性能差、零件价格超高等问题。

金属3D打印技术具有巨大的发展潜力，有望在未来对重大装备的高性能金属结构材料制备技术、高性能大型复杂整体关键金属构件制造技术、结构设计技术，甚至对装备生产模式产生变革性影响。我们期待着这一技术的进一步突破和广泛应用，为我们的生活带来更多的便利和进步。熔化沉积技术的挑战与未来发展方向

虽然熔化沉积技术在重大装备大型关键承力构件的制造领域具有广泛的应用前景，但它同时也面临着技术难度上的巨大挑战。这项技术的深入研究涉及到多个领域的交叉融合，包括熔池冶金、凝固现象、热物理特性以及固态相变等超常材料制备与成形的基础问题。

熔池冶金是熔化沉积技术的核心环节，它涉及到材料在极端条件下的行为研究。在打印过程中，对熔池的控制是制造出高质量构件的关键。而凝固现象的研究则有助于我们理解材料从液态到固态的转变过程，这对于控制构件的微观结构和性能至关重要。

热物理特性的研究也是熔化沉积技术不可或缺的一部分。在打印过程中，热传导、热对流以及热辐射等热物理现象对构件的成形质量和性能有着直接的影响。深入研究这些热物理现象，掌握其规律，对于优化熔化沉积技术至关重要。

为了推动熔化沉积技术的进一步发展，我们还需要探索并发展高效、高精度、高性能的大型关键金属构件增材制造技术。这包括研发新一代基于增材微区冶金的高性能金属结构新材料，这些新材料应该具备优异的力学性能和耐腐蚀性，能够适应各种极端环境。

熔化沉积技术虽然在制造大型关键承力构件方面有着巨大的潜力，但我们也应看到其面临的挑战和发展的方向。通过深入研究超常材料制备与成形的基础问题，发展高效、高精度的增材制造技术，我们可以期待这一技术在未来能够为重大装备制造业带来更大的突破和进步。

（内容有所删减并重新整理，以更生动、丰富的文体呈现，原载于《前沿科学》2019年第4期）