在2019年IAME中國（西安）國際3D打印博覽會暨高峰論壇上，南極熊遇到了北京航空航天大學教授、中國工程院院士王華明做了主題是《高性能大型金屬構件增材制造若干材料基礎問題》的報告。

下面是現場速記（盡管已糾正過，但仍有紕漏之處，敬請諒解；全文4700字。）：

我非常高興能夠來到這里，和各位專家討論增材制造。我研究關于金屬構件方面的增材制造，尤其關于高性能大型構件增材制造問題。

3D打印大型金屬構件，材料是核心問題

盧院士讓我講講用增材制造技術去做重大裝備當中大型關鍵高性能金屬構件這方面的問題，盧老師做的比較全面，我只做金屬的3D打印，而且是金屬3D打印當中做大型金屬構件。我非常贊同盧老師前面說的，增材制造技術的發展一定需要研究，我們現在*缺的，相當于一棵大樹，如果沒有根，基礎研究跟不上，其他就不行。如果做大型金屬構件，我的理解這個技術能不能發展，材料是核心問題。

3D打印對于大型關鍵的金屬構件至少關心：

*，打印出來的部件質量和性能怎么樣，這非常重要。質量性能一定是和3D打印過程當中的材料金屬問題密切相關。

第二，要走向應用，打印出來的東西，3D打印可以打印任何形狀，任何尺寸，甚至說都可以，但還是有很多問題，打印出來的精度怎么樣？其實我們很多地方不行，打印出來還需要加工，甚至沒有辦法加工，效率怎么辦？這也是非常重要。

第三，不是什么結構都可以打造，比如打大型金屬零件就容易變形，什么材料可以打印？有了3D打印之后，也有了更新的材料，這些為3D打印而生，可能為醫療解決很多問題。

3D打印技術基礎研究要做好

*重要的問題，我相信*終是成本。一個技術如果走向應用，成本上沒有優勢是不可能的。質量性能決定能不能用，打印精度效率也決定了能不能用，也決定成本怎么樣，材料、什么材料、什么結果，要解決這些問題。根本上是解決材料基礎問題，3D打印過程當中材料基礎問題，不是粉末，不是色彩，那叫原料，是通過3D打印這個冶金的過程，極端條件下的冶金，然后熔化、凝固、固態相變，*后形成材料。

我們從1989年開始做這個事情。盧老師剛才談的非常好，希望金融界的人，投資界多投一些錢到這來支持更多的人，扎扎實實把基礎研究做好，否則這座墻要倒，靠去干活的工人，靠偷點技術*多是三五天，*終起不來。

我后面材料科學問題講的比較少，解決了一定的材料科學問題之后，增材制造技術做大型關鍵金屬構件對未來有什么影響？我在講的過程中不再講材料科學問題，科學問題是極端條件下的冶金，極端條件下的凝固，極端條件下的固態相變，極端條件下的熱力學的問題，這些問題都是以前不曾遇到。比如說在平風條件下的力學問題，線性的力學也不是那么回事。一開始了解重大裝備當中的大型配件，重大裝備的大型配件它是裝備制造業的基礎，也是瓶頸，也反映一個國家的工業綜合實力，因為鑄錠不行所以說后面要鍛造，如果鑄錠好了沒有必要鍛造，我認為鍛造是不得已而為之。這條路我認為做大型構件的障礙在冶金，前面這一塊阻力很大，偏析嚴重，疏松嚴重，這是現實。

實現大型金屬3D打印現實問題與難點

現在發展的趨勢，東西越來越小，但是飛機會越來越大，運載火箭會越來越重，要求高性能，多功能，高可靠和長壽命，這是基本的趨勢。在這種基本趨勢條件下，制造這些裝備大型關鍵的金屬構件，在可預見的將來還是金屬。金屬畢竟是*安全，*可靠的一種材料。但是你如果把金屬性能提高，我們沒有別的辦法，合金化，往里面加更多合金元素，合金越來越復雜，對它的控制要求越來越高，一切毛病處在這，將來合金元素根據熱力學凝固過程偏析，沒有辦法解決的。

第二是零件越來越大，做小零件好辦，偏析問題，凝固問題，很多問題都可以解決，但是現在要大，要整體，要輕，因為結構很大，結構大帶來的毛病很難解決，結構大之后帶來大的構件對于材料、傳統冶金那是天花板。

某種意義上，過去50年以來，冶金技術的發展從原理上進步很小。

*后一個是復雜合金大型的結構帶來制造的毛病，成本低不了，周期肯定短不了，裝備技術的要求肯定高，這是現實。大型金屬構件如果撐起大型關鍵金屬構件制造，兩個東西，一個是材料，一個是制造。我認為根是材料，那條腿不行這條腿就不可能行。傳統冶金我叫原理性制約，它的原理就是這樣，所以你沒有辦法。大型構件制造能力上不去，材料性能水平也上不去。航天發動機外盤原來是鎢合金的，然后再去鍛造，但是現在加了更多的鎳，更多的鈦，更多的物質之后偏析太嚴重，偏析太嚴重就容易斷，它就裂。把它霧化成粉末，把液態金屬吹成一百微米鑄錠，原來做一堆的鑄錠，現在做一個微米的鑄錠，它是粉，你還能把粉收起來壓成盤子，熱力學的制約，我認為要突破高合金化材料的瓶頸，凝固還是*的一條路。

給大家看一個現實，根就是熔煉鑄造這個環節中出了問題，后面再去做，現階段我認為是機械。現在全世界*大的鈦合金模鍛件沒有超過50噸的，鋁合金的厚板可能沒有超過300或者400。在這個現實條件，以航空為例，殲滅機制動占起飛重量的百分數從來沒有低于27的，70年以來沒有進展，這是一個現實。

其實講金屬材料很簡單，技術材料像做面粉一樣，假如說*細的面粉，面粉柔起來是實的，里面沒有氣孔，面條一定會拉的很長，一定會勁道，強度高，數據好。金屬材料跟這個一模一樣，金屬材料麻煩在這，加了合金元素，只要一做大，化學不均勻、機理很粗，不致密，強度低，塑性差。現在3D打印可能為創造了一個條件，3D打印就是一層層往上加。

3D打印給金屬制造帶來的變革

在我看來3D打印有三個東西，

一是變革結構。

二是變革材料，把不同的材料組合在一塊，或者3D打印過程中利用極端的條件，突破傳統原理性瓶頸，突破發展新的材料。

三是制造模式的變革。

下面說金屬大型構件。我一直講通過極端的熔化，在極端條件下短時間冶金，和短時間快速凝聚變成材料，它的本質是出來一個冶金的毛坯。我們希望它以后越來越精，*好不加工，但是很難。這個技術影響有：

*個是3D打印本質的特性，你通過這種方式快速凝固，理論上說你可以做出很大很復雜，甚至不受限制的結構，你不再需要冶金裝備。

第二個我們更關心極端條件下冶金極端條件下的凝固，真正把傳統冶金的瓶頸突破，發展出來全新的材料，而不不限于現有的材料。

下面看一些例子，做大零件難，只要強度高，塑性差，做大之后一定會變形開裂，理論上說會非常困難。我們可以做出超大型的鈦合金零件，其他方法是出不來的。

再給大家看更大的，可以做很多大的東西，但是很難，這樣的東西傳統方法去做，剛才這樣的零件十幾個平方米，不相信誰的鍛件能打這么大。鈦合金鍛件不可能的，原來十幾個零件很大的鈦合金零件，這都是很大。我們增材制造的梯度材料做了十幾年，梯度的結構材料，而不是說功能材料，這些東西很大，不同地方用的不同的鈦合金做的東西，可以做的很大，但是很難，這個東西可以做很復雜的結構。

前面多位專家談到優化，3D打印為結構設計的創新，或者顛覆性的結構帶來機會，*大的影響是結構，一定*終是結構帶來的影響，一架飛機原來一萬個零件現在可能變成二百個，原來輜重50噸，也許以后變成5噸，它靠結構帶來變化。材料非常重要，但是結構更重要，結構帶來變化之后，你們以前搞強度搞結構的這些人再試試看，包括梯度材料，一方面梯度之后材料力學所有東西不適用了，都是全新的東西。

在航空發動機和燃氣輪機上，噴嘴不是關鍵構件，我認為*關鍵的風扇、壓縮機、渦輪壓片、渦輪盤。2007年2月13號照的航空發動機高溫合金盤，耐熱鋼450斤重鋼機匣，性能上遠超鑄造和鍛造。

3D打印可以做到零件，但是要做很多工作，*核心的我認為在3D打印過程中極端短時，超高溫，強對流極端情況下實現合金化。水和油不可能混在一起，創造極端條件，水和油可以混合均勻，時間太短，這種情況可以突破傳統的原理性制約，發展新一代的金屬材料。現階段這樣的材料突破不了，我認為過去五十年來沒有進展，質量有進步，技術進步，質量更穩定，性能更提升，這是現狀。3D打印會帶來真正的提高。

看一下例子，500噸的鋼錠，500噸的鋼水，煉的均勻就不容易，氣體要少，雜質少，想辦法得到一個好的鑄錠，但是鑄錠太大，中心和邊可能相差幾十倍，化學成分非常不均勻，后面要鍛。一個孩子天生愚鈍，靠后天教育費的力氣很大，金屬冶金也是這樣。

整出來一個過程不行，后面再鍛造，像揉面，揉半斤就可以揉動，如果50公斤就揉不動，但是你使勁揉，揉比不揉強。帶來的變革，傳統的缺陷和偏析，原來幾個微米，幾十厘米，超過微米尺度范圍你認為均勻，通過原理性制約，可以設計出新的材料就是全新的材料，我做出來的零件理論上說任何一個點是可控的，可設計的，可重復的，鍛件中心和鍛件皮上一定不一樣，3D打印這些問題都沒有，這就是變革，設計師們可以不考慮位置效應，你考慮成本就可以了。這就是帶來的變革。

舉一個例子，其實就是小區域的熔化凝固問題，這個事情說起來容易做起來挺難，這么小的區域怎么控制它的形和控制它的生長？我們能做到，等軸裝，也可以長成鋼筋混凝土，不是往里面加鋼筋，一部分連續長，調節它的間距和大小，*終控制晶體大小和曲象，這才是智能制造，不是一般智能制造，外形那個東西比較簡單，這是材料冶金的問題。我把這個東西用在航空發動機的整體葉盤上，柱狀晶，600噸的鈦合金，高溫持久，壽命提高6倍，蠕變量減少70%，這是全新的材料。

3D打印雙向鈦合金是結構材料用的*多的鈦合金，我們可以控制它的相變，得到現階段不層有的特種雙態組織，和傳統的雙態組織天壤之別。這不光好看，帶來的損傷容限性提高一個量級，沒有高強度的損傷容限，要讓它里面有裂紋不擴展，降低強度，提高塑性，所有金屬材料無一例外，用的*多的鈦合金是DT，強度達到56，疲勞特性百分之二三十的降低，這是所有材料沒有的，什么叫革命，這就叫革命。

剛才盧老師談了很多性能，天然就比鍛件好，不可能做到微米級大零件，3D打印可以做到，所以它的關鍵性能就是比鍛件好。

舉個例子，說性能，材料性能*不是做一個數據，10余年300多批粉末，近10萬余性能數據，工程上，基準值，99%可靠度，99%的置信度，你一定取*低，100%沒有辦法說，我們大部分材料沒有這個值，3D打印數據分散性比鍛件小的多。斷裂韌性，平均值，說基準值多少，基準值比單鍵平均值高的多，這就是帶來的變革。

不同的材料，零件不同的部位采用不同的材料和不同的結構，12年前做的，這是1989年做的，30年前做的。

影響三是變革裝備結構和裝備的研制模式，這個東西影響很大，剛才盧老師談了做大飛機做一架和10架一樣快，做大的復雜的一件兩件一定貴，它的性能一定不好，現在可能做到。

裝備模式，書記在2013年講，3D打印這個技術可能會帶來一些變化。原來我們實驗室特別小，但是它可以干重工業干不了的事。

雖然前景光明，我們核心技術缺乏。這個方向是這樣，現階段來說不是什么都適合打印，可能打印貴的，還得有塑性，打零件大的，結構復雜好，未來的方向不是打現在貴的材料，現在塑形好的材料，打增材制造極端冶金新一代材料，這個材料將不是現在的材料，結構將來一定是變革性的，功能*優的結構，而不是現在的結構。

任重道遠，做大型金屬構件，高性能金屬構件，沒有材料基礎，沒有做長期的工作是不可能。謝謝大家。