从学术口谈谈对激光3D打印的几个个人看法

关于帖子的回复：在没有针对帖子内容实质性的回帖或者疑问出现前，我将不再做什么回复，还希望各位谅解。

基于在之前的相关帖子里争论激烈，解释来解释去都说不清楚，一个语言不可能让全部人都明白我的意思。我也在那些回复里说过，我把自己的想法和看法总结一下发个新帖。我只是基于我的认识和知识谈3D打印问题，没有涉及到泄密，更不会涉及到钓鱼（你如果觉得你有料，请绕道）。这个帖子是一气写成，错笔漏笔啰嗦不通顺问题后续慢慢修补吧。

对激光3D打印的一些个人看法（对激光3D这一技术的看法——后续应用问题——王华明的讲座文字记录）


总结下王华明的讲座：1，这个技术的优点是能够做大、周期短、效率高、成本低、性能比锻件好或者达到锻件的水平。
2，对发动机叶片-盘子一起生长做了一些工作：比如这个地方长成柱状晶体，高温性能就很好；这个地方我们让他长成等轴晶，他的可能低周疲劳性能也很好；如果他的温度太高，我们可以换材料。
3：发展方向：周期、性能、成本，这个技术的发展取决于高功率激光的发展，我们受制于人。设想未来能够快速设计制造飞机上的构件并认为是可能的（我们不能说100%做出来了，但是我们已经做到）。
4，还是涉及到快速凝固、凝聚态里面的一些东西。这久是一个制造一些特殊零件的技术，本身不构成第三次工业革命，媒体吹过火了。

我从这里开始就基于个人的观看谈谈自己对这个技术的看法，并谈一些自己的见解，如果你认为涉秘话题（比如前帖有人说到的如何梯度控制），不需要讨论。之后我写一下关于这个技术在关键材料设备上（发动机叶片、抗撞击材料等）的应用中潜在存在的问题以及可能的解决方法。在前面一个帖子里，我做了不少回帖和回复，我基于自己的背景对这个技术的看法是：他是一个很大的进步，但是主要应用还是商业上，低成本、高效率、短周期。关于他在军工关键设备上的应用（我本意是发动机）等设备上（需要添加其他材料的），我的看法是目前不可能。王华明本身在论述在发动机叶片生长方式上的时候就采用了比如假设的说法。我的看法是，如果这个技术要制造那些关键设备（讲座中提到的第7点），就需要对打印出来的产品通过各种后期处理。谈这个的目的就是给CDer一些我的见解，冷静看待进步，理智对待问题。

科普介绍（用我认为最通俗的语言）：1，晶体：原子在所属的单位内按一定规律有秩序地排列的材料，包括单晶和多晶；2，非晶/无定型态：原子没有有规律有秩序地排列起来的材料；3，单晶：整个材料当成一个单元，在这个单元内所有原子按按一定规律有秩序地排列的材料；4，多晶：有多个单晶组成的一个材料，里面的多个单晶不能再合在一起形成一个大的单晶；5，晶胞：构成晶体的最小的重复的单元（由原子构成一特定的最小空间结构）；6，晶体的特性：有取向性，会形成各个不同的晶面，每个面上的性能不一样（包括晶面能，导热性，导电性等）；7，晶体的生长方式：OR(Ostwald Ripening，传统教科书里讲的生长方式)和OA（oriented attachment，近10多年出现的，美国人发现并发表于核工业材料杂质上，细见nano letter主编paul在science上的评述），OR指的是以原子为单位慢慢组装起来长大的方式，OA指的是以一个由原子构成的大一些的单位组装的生长方式。目前的技术手段所能认识到的是第一种方式出现在晶体生长的前期和后期，第二种方式出现在成长的中间阶段；8，晶界：单晶与单晶紧密接触所产生的一个在显微边界。9；取向生长：通过一定的技术手段让晶体某个或某几个晶面的生长速度大大快于其他面的生长速度，以形成具备特殊性质的材料。
激光3D打印技术：在介绍前应该说明的是，介绍说明本事是基于最简单的模型，然后才涉及到王华明的合金问题，所以不要太关注合金，元素一类的了。第一这点疑问的可以参考帖子前面的几个回复。
第一个看法：“熔融”Ti进入“打印单元”成晶后，各微晶表面缺陷不能说很多，但不会少。
见下图，Ti被完全融化后材料内部无晶体组织结构，为流动态Ti。当打印出来一层后，根据王华明的介绍，Ti快速结晶并被控制在小尺度上，以OR生长出现有各向异性的小晶体。在控制温度的情况下，相信可以实现快速传质形成晶体（不讨论属于什么相），因为熔融Ti温度急降后，传质阻力增大，无法长大（见图“打印单元”）。但是晶体生长，根据目前的理解从一开始就是以内往外生长，越内部的结晶度越高，越外层的晶体缺陷越多，原子在外层很难规整排列。在晶体成长过程中，这里只有3种情况/假设：1，是小晶体内部温度比外部低；2，小晶体内部温度比外部高；3，小晶体内外温度完全一样。在第1种情况下，内部和外部受到体系能量的作用一样，那么形成晶胞的速度是一样的，也就是在绝对短的时间内飞速形成晶胞，并且这种杂乱无章的原子快速按绝对相同的形式和时间堆砌在一起。这种情况是不可能的（坍塌要是在这里出现，时间都会没掉。说明：我对天体物理不懂），主要是因为热量传递、原子传质、传递路程等在这个过程中内外是完全不一样的，也就无法达到这种内外完全一样的长大条件。第2中情况也是不可能的，因为内部温度高所代表的是高界面/面能量（后续解释），导致结晶度很差。而多余的热量必须通过外部的体系传递出去，就会导致外部温度提升，这就和这个假设相矛盾。合理的应该是第3种情况，内外温度不完全一样。为了理解这个问题，我们需要知道低体系能量对应低总晶面能量（各单位晶面能量乘以折合比表面积，不懂可以学习表面焓相关知识，例子可以找CVD模型，去了解为什么CVD需要特种基底），高体系能量对应高晶面能量（高折合比表面积）。（说明：根据王华明的介绍，晶粒尺寸很小，那么理论上就可以根据有代表性的精细结构计算这个快速凝固点的温度，怎么计算的，你不要问我，我可以给你写一文章了）。基于这个认识，内部温度低，所以内部先长成晶胞以内往外按OR方式长大，内部形成规整结构后，又把热量传递给外部，这样就形成一个梯度，原子一个一个叠到相应的面上。外部这个生长过程不会一下子停止，而是通过温度的降低，原子传质阻力增大来控制的，在这种状态下，外部原子粘附速率会根据体系的热传递性能降低，直到相对微晶的长大速率忽略不计（微晶尺寸基本被控制住不再长大）。但是这种生长方式的问题是外部的结晶度不高，会在晶体表面上形成大量的缺陷。这也就是为什么在材料领域上会出现“亚稳态”这个概念。在亚稳态材料中，内部结晶度比外部高，但是外部原子被凝固（或者传质速率被忽略不计）导致表面缺陷很多。王华明的论述是利用了激光融化后材料的迅速冷却来控制晶体的尺寸，这就会导致外部温度迅速降低，原子传质速率降低，形成更多的缺陷。如果要最大可能地消除这种缺陷，就需要在迅速降温的过程中有个控制。这个温度就不是室温，而是一定的高温（网络上公布的视频是为了演示，并不一定代表真实性），通过研究几组工艺条件下的微观显微结构，结合表面焓可以计算出接近的温度。在这点上，我认为王华明做这个绝对没问题。但是表面缺陷还是有一定的量（其实，这个必须有，没有的话后面就解释不通了）。上面论述的表面有缺陷的看法请先不要急着否认，因为这些没attach上去的原子对接下来的烧结是至关重要的。

王华明论述的是可以控制晶体的attach方式，我相信这个没问题。说烧结之前我先再解释下OA生长方式。在这种生长方式里面，最常见的是同个面结合在一起，因为同个面的能量最接近，所以相互attach是最稳定得选择（做相关研究的人到现在为止应该可以明白几点：1，为什么attach只在同个面之间进行；2，不同反应条件为什么出现attach的面是不一样的；3，为什么有些材料在主流的实验条件下只在某种面间才出现）。如果attach不在同个面间形成，那么这个就不是好的烧结了。但是前面长成的微晶中，排列方向上会千差万别，需要转动微晶创造面对面的形态。王所说的小晶粒复合这种条件，尺寸越小，转动所需要的体系能量越低，而微晶外部那些缺陷位置的原子在一定的温度下就可以形成类流体状态，使微晶在段时间内转动并且相互匹配。在面与面attach的位置会形成缺陷，因为微晶不可能完全一样（取向性，尺寸）。当微晶转动得差不多的时候，就可以继续降低到某特定的温度，attachment位置的缺陷就由表面的原子“修补”，最后形成不再变化的打印层材料。

但是，如果不控制上述的2个温度，那么晶体的OR和OA生长虽然能够出现，也能长出所描述的特定组织结构的的晶体，烧结缺陷就不会被控制到最小的程度。这种控制温度就是我在之前帖子里描述的“煅”（此煅非彼“锻”）。当然，在这个体系里面还必须考虑Ti的热膨胀系数。我说不了那么多，每个材料的热膨胀系数是不一样的，无法通用讨论。

第二个看法：打印单元间的界面消除是个巨大问题（见图“打印界面”）：打印有先后，为了控制成型速度，打印单元外部温度会比内部小很多，从所得到的信息也看到外部有氧化（黑色物质需要铣掉）。那么打印单元间的氧的存在就会影响层间的结晶情况。根据王华明的视频介绍，材料性能很好，那么这个问题也是被解决了的。但是我认为这个氧始终是存在界面间的，他对材料的影响我先不论述。有人就会疑问，两层间晶体生长方式本身就不一样，怎么可以形成组织结构完全一样的呢？我的看法有点类同，组织结构肯定不完全一样，但是可以做到尽量接近。

基于第一点的论述，第1层表面存在缺陷，有大量不稳定原子，而当控制好时间让第2层在恰当得时候打到第一层上面，通过热量传递，会在层界面形成OR成长。为了使两层组织结构尽量接近，就需要把第2层的厚度尽量降低，这样就可以近似认为第2层的晶体是从底部开始往上长的（因为底部于温度较低的第一层接触后是最迫切需要形成对应的稳定晶态）。在2层的接触瞬间，必须通过手段使氧能够尽量被去除。而层间OR生长后会从下往上最先形成OA生长所需要的晶面，这个晶面一旦形成后，第2层就开始从下往上取向生长，使2层间组织结构接近。但是这个分析只是在第2层厚度尽量薄（有时候应该也要考虑效率吧）并且是理想状态的的前提下的。在第2层内部也会形成结晶，需要体系供应能量（热量，流体表面张力，原子供应量等），不可能会和1、2层过度界面间的生长方式完全一样。除了第一点论述的缺陷以外，会导致更多的缺陷，这个新缺陷就是为了克服“转向”（使第2层内部和1,2层界面间取向一样）而产生的。层数越多，缺陷会越来越多。正是基于这点论述，我才在之前的帖子里说3D不是万能的，还需要后期的工艺提高、修补（比如我描述的“煅”，见第一点末尾），当然王华明的论述和我的看法是一样的，3D不是万能，而至是用于制造特定器件的一个工艺手段。

接下来，我就针对这些缺陷谈一下自己的看法，主要是以下几点
1，为了提高型材强度，我们需要diminish这些缺陷，材料的工艺控制只能做到一定的程度，但是如果后期进行一些处理(比如把材料加到某特定的温度“老化”及不同方向上的适中压力)，，让缺陷位置和界面间的“凝固”原子能够进一步迁移，按消耗能量最低的原理是其更加规整地attach到缺陷晶面上，那么材料的性能会更好。
2，通过以上我的论述，目前3D打印直接成单晶的可能性很低。王华明有说道在制备飞机发动机盘子和叶片的整体材料上做了一些工作。我们知道的是飞机叶片是高取向性的单晶，通过打印很难直接形成。但是，如果有后续的修复工艺，我认为叶片可以做到接近单晶的状态，虽然性能和单晶叶差距可能是巨大的。另外一个就是叶片和盘子的过渡问题，所面临的问题也还是和3D打印层间一样。这里有2个方法：a,分开来做每个单元，尽量控制两单元过渡面的取向生长方向一致，然后组装2组件，通过论述过的“第二个看法”里面涉及到的手段可以消除这种差异。b,我认为王华明的3D打印在匹配2组件上有优势，如果工艺上能够处理好过渡问题（见“第二个看法”），能够长出性能比较好的过渡层，相信他们能够解决。其实，在制备这种关键材料上，长单晶才应该是最关键的，这个也是3D打印的内伤（见我前面论述的两个看法），目前貌似无法解决。他所说的柱状晶什么的和取向单晶在某些特种性能更不是一个等级的。
3，掺杂合金的制备：王华明的技术在单一相（指单一元素）上,我认为是实现了，但是在制备特种合金、特种金属等需要掺杂外来相（指元素）的时候，上面的论述情况就完全变了，可以想象一种情况：某微晶和掺杂相形成了新结构的晶体（称为“新晶”），而某些没有和新掺杂相形成新结构的晶体“新晶”在界面能量、体系能量的差异会有一定的差异，缺陷会较单一相打印出来的材料要多。为了减小这种差异，在混合料的制备上非常关键，而打印也需要更长的时间让其传质。
4，3D打印在长单晶上的缺陷，使其目前也不太可能长适用尺寸的取向器件，比如按与最大轴向上最强抗力方向垂直取向生长制备超压型件，类推的还有抗拉伸等等。

激光3D打印的出现是一个巨大的成功，最直接的效果出现在商业上，在军用上也体现了一定的价值。但是我们要冷静看待这个技术，不要把这个技术吹成什么“神迹”一样，就像王华明所说的，不要把这个技术想成万能的，他有自身的缺陷和没有克服的一些问题，还需要不断发展。但是按照我的理解，如果能在激光3D打印的基础上，结合传统工艺，会更加完美。相信通过努力，激光3D打印技术会在军工上大放光彩。至于国外的发展，他在视频里说的一些话我不太赞同，这点我就不说了，说多了又是一大堆喷。

以下是王华明讲座文字简录。
视频: 北航大学王华明教授就飞机钛合金激光快速成型的应用在中科院讲座(http://v.youku.com/v_show/id_XNDczOTI0MzA4.html)
1,用激光融化材料，去做飞机发动机里面的一些高性能 难加工的大型整体构件。传统的制备涉及到重工业的设备。3D打印通俗地说就是增材制造（material additive manufacture），通过添加材料来做，从小尺寸的原型件快速成型到大型的高性能的构件的制造的应用。
2，背景：3D为什么突然热起来是因为美国，我们好多事情还是跟着美国跑。今年3月19号美国宣布了一个计划，要建立若干个制造创新中心来组成一个国家的网络，政府投资10亿美元，选择一些尖端领域，每个单位选择一个技术对他进行研发、示范、技术转移推向美国主流制造工业，产生就业机会，同时提升美国的全球制造业的领先/领导地位，去重整美国的制造业。经过5个多月的认证，美国选择了增材制造来建了第一个样板，为其他14个研究中心的建立提供示范。今年的8月16号就剪彩了，建立了一个“国家增材制造发明研究院”。研究院由政府管理，涉及10所研究型大学、6所社区、85家国际知名公司、19个行业职业协会及非营利性组织。我想这就是为什么我们从6月份开始，国家火炒这个3D打印。
3，什么是3D打印（增材制造）：传统的制造像雕刻，先做个磨具，然后大量地加工，就是传统的减法。这个事情当然很费事，原料浪费很多。增材制造就是先把材料化整为零分成很多小组件，然后一片一片叠起来形成整件。他基本的手段上还是用激光来融化材料。主要的方法一个是原型制造，用来制作树脂石蜡的一些原型样件。这个技术从80年代初开始到现在已经很成熟了。高性能的金属元件的制造，我个人的观点，虽然我做了20多年的研究，还是觉得是个难点，也是当前的热点和难点，国际上没有实质性的突破。这个就是很老的技术，现在火炒的3D打印，说可以在家庭里可以自己设计制造，我觉得不是这样的。现阶段主要是用来快速制造减短生产周期用以制备样品，他本身不能作为大批量生产的零件，那么主要的方法还是涉及到激光，用激光融化树脂然后制造。3D打印实际上是1986年恩里科•迪尼（Enrico Dini）发明的一种工艺（激光烧结，材料不致密，还要后续烧等工艺处理来提高性能）。
4，航空领域里面应用，尺寸都非常大，提高效率就是把尺寸做大。举例：发动机叶片需要涉及复杂工艺，需要很多很多钱（一个磨具7000万），材料利用率不到5%。这就是飞机那么贵制备那么困难的方法。现在世界上都在找更好的方法，当然这个激光增材是这个降低成本的一个方法。这个方法就是用粉末或者湿材作为原料，用高功率激光融化材料，一层一层地把这个零件长出来，不需要磨具，不需要烘装，也不需要万吨机的这种重型锻造装备。他可以节省大量的材料，优点有周期短、成本低、高效率。从这个角度来讲这个技术是个这个重型装备制造的一个变革性、低成本、短周期的这么一个技术。无疑对这个构件来说也是方向。这个技术呢确实还是美国人比我们牛，创新的思路还是从他们那里来的，1985年他们悄悄地干，92年解密，然后国防部投资了一系列的计划，当然还是主要军用飞机制造商，目前只能做一些小器件，做不了大的。原因在于激光温度高（~3000度，2500度），激光一走，剩下100度，所以z移（温度梯度）太大，导致材料变形非常大，小零件变形，大零件开裂；另外一个就是一点一点堆起来的东西（要往关键的地方用，性能是至关重要的），容易出缺陷，精密组织、凝固过程、显微组织很难控制，导致力学性能不行，没办法用于关键的构件，这个就是美国人干了20多年的结果。激光成型后再去锻压、再去煅造，性能还是不如铸件。2002年在f18上做了应用验证，2008年就倒闭。我们是2005年6月装机。国内外宣传很多，其实都是做些小玩意。
5，美国人现在不做增材制造，做的是表面修复、表面工程（信息从美国的行业会议论文目录里来）。我们的项目是：先进航空发动机项目、国防基础科研重大项目、国家863重点项目等。目前世界上还没有将用激光成型的构件直接应用到飞机上的例子，我们是第一个。我们解决的方法是做大（5平米），这么个东西还是靠激光搞出来的。这么个东西不是打出来的，而是激光搞出来的，我们要感谢这些搞激光的科学家。第二个就是性能这块，我们通过一系列的方法，通过控制晶粒形态，控制缺陷，控制显微组织，我们能使飞机构件的关键性能比锻件还好或者达到锻件的水平，举例（几个关键性能好于锻件）。因为激光一照下去，温度很高，一走就粘下来了，所以组织非常细，化学成分非常均匀，性能很好，但是他容易长成缺陷。这些缺陷就是把啥优点都抵消掉了，全完啦。Ti合金是个好东西，但是他有个最要命的缺点，缺点就是他一旦形成裂纹，这个裂纹就会高速扩展。现在有个方法是通过降低Ti合金强度来提高塑性，使裂纹走得慢一点。而我们的激光成型，不需要去改变成分，不需要去降低强度。不光是钛，还可以应用到钢。激光可以干很多事情，但是装备也很重要，我们做了一个装备，虽然土，但是很有用。
6：应用情况:919，其他的还不能说。解决了周期和成本材料的很多问题，2009年干了一个919的机头（舱框）。举例欧洲的高收费周期长，而我们花了很短的时间给他做了。另外还干了919中央翅膀边上的一段，节省材料90%以上。还有一个飞机上起落架上的零件，已经起飞了2000多次……等等（比传统锻造要好，解决了一些飞机研制的一些事情）。美国的f22机翼上的一个构件分成3个部分，通过等静压、焊接制备出来。我们用激光就可以长出这个一个零件，毫不谦虚地说，这儿是世界上性能最好的（我个人的理解，结合上下文和我自己的判断，说得应该是与激光3D长出来的对比，详见前几高楼的回复），美国人也只能通过锻造。
7，航空不行，叶片和盘子的应用上是分开来长。我们在这方面也做了一些工作，就是把这个盘子和叶片一起长，对叶片的组织随心所欲控制，这个地方长成柱状晶体，这个地方的高温性能就很好，这个地方我们让他长成等轴晶，他的可能低周疲劳性能也很好，如果他的温度太高，我们可以换材料。
8，展望：成本、周期优势，很多程度上是快速凝固、凝聚态里面的里面的一些东西，确实是带有变革性，我个人观点，但是这个东西不能包办天下，个人的观点是这个就适合难加工的高性能的贵的别的方法干不出来的，就是和别的有些区别，不是说什么玩意都用他啦。发展方向：周期、性能、成本，这个技术的发展取决于高功率激光的发展，希望国家设立重大专项支持高功率激光的研发，现在的激光器全是进口，我在想现在这一技术发展起来了后，国外对我们限制高功率激光器的出口。我们照美国的模式这样干，虽然没有这样的名分。假设哪天在30天内设计制造（在飞机啊发动机啊这些飞机构件上的制造），这种设想是可能的，我们不能说100%我们做出来了，但是我们已经做到。就是这样的一个前景，但是我们的能力有限，媒体说的什么第三次工业革命，这是不可能，这就是一个零件制造，他仅仅是零件制造一些特殊零件的一种变革，他本身并不构成第三次工业革命，所以有些就吹得过火。


关于帖子的回复：在没有针对帖子内容实质性的回帖或者疑问出现前，我将不再做什么回复，还希望各位谅解。

基于在之前的相关帖子里争论激烈，解释来解释去都说不清楚，一个语言不可能让全部人都明白我的意思。我也在那些回复里说过，我把自己的想法和看法总结一下发个新帖。我只是基于我的认识和知识谈3D打印问题，没有涉及到泄密，更不会涉及到钓鱼（你如果觉得你有料，请绕道）。这个帖子是一气写成，错笔漏笔啰嗦不通顺问题后续慢慢修补吧。

对激光3D打印的一些个人看法（对激光3D这一技术的看法——后续应用问题——王华明的讲座文字记录）


总结下王华明的讲座：1，这个技术的优点是能够做大、周期短、效率高、成本低、性能比锻件好或者达到锻件的水平。
2，对发动机叶片-盘子一起生长做了一些工作：比如这个地方长成柱状晶体，高温性能就很好；这个地方我们让他长成等轴晶，他的可能低周疲劳性能也很好；如果他的温度太高，我们可以换材料。
3：发展方向：周期、性能、成本，这个技术的发展取决于高功率激光的发展，我们受制于人。设想未来能够快速设计制造飞机上的构件并认为是可能的（我们不能说100%做出来了，但是我们已经做到）。
4，还是涉及到快速凝固、凝聚态里面的一些东西。这久是一个制造一些特殊零件的技术，本身不构成第三次工业革命，媒体吹过火了。

我从这里开始就基于个人的观看谈谈自己对这个技术的看法，并谈一些自己的见解，如果你认为涉秘话题（比如前帖有人说到的如何梯度控制），不需要讨论。之后我写一下关于这个技术在关键材料设备上（发动机叶片、抗撞击材料等）的应用中潜在存在的问题以及可能的解决方法。在前面一个帖子里，我做了不少回帖和回复，我基于自己的背景对这个技术的看法是：他是一个很大的进步，但是主要应用还是商业上，低成本、高效率、短周期。关于他在军工关键设备上的应用（我本意是发动机）等设备上（需要添加其他材料的），我的看法是目前不可能。王华明本身在论述在发动机叶片生长方式上的时候就采用了比如假设的说法。我的看法是，如果这个技术要制造那些关键设备（讲座中提到的第7点），就需要对打印出来的产品通过各种后期处理。谈这个的目的就是给CDer一些我的见解，冷静看待进步，理智对待问题。

科普介绍（用我认为最通俗的语言）：1，晶体：原子在所属的单位内按一定规律有秩序地排列的材料，包括单晶和多晶；2，非晶/无定型态：原子没有有规律有秩序地排列起来的材料；3，单晶：整个材料当成一个单元，在这个单元内所有原子按按一定规律有秩序地排列的材料；4，多晶：有多个单晶组成的一个材料，里面的多个单晶不能再合在一起形成一个大的单晶；5，晶胞：构成晶体的最小的重复的单元（由原子构成一特定的最小空间结构）；6，晶体的特性：有取向性，会形成各个不同的晶面，每个面上的性能不一样（包括晶面能，导热性，导电性等）；7，晶体的生长方式：OR(Ostwald Ripening，传统教科书里讲的生长方式)和OA（oriented attachment，近10多年出现的，美国人发现并发表于核工业材料杂质上，细见nano letter主编paul在science上的评述），OR指的是以原子为单位慢慢组装起来长大的方式，OA指的是以一个由原子构成的大一些的单位组装的生长方式。目前的技术手段所能认识到的是第一种方式出现在晶体生长的前期和后期，第二种方式出现在成长的中间阶段；8，晶界：单晶与单晶紧密接触所产生的一个在显微边界。9；取向生长：通过一定的技术手段让晶体某个或某几个晶面的生长速度大大快于其他面的生长速度，以形成具备特殊性质的材料。
激光3D打印技术：在介绍前应该说明的是，介绍说明本事是基于最简单的模型，然后才涉及到王华明的合金问题，所以不要太关注合金，元素一类的了。第一这点疑问的可以参考帖子前面的几个回复。
第一个看法：“熔融”Ti进入“打印单元”成晶后，各微晶表面缺陷不能说很多，但不会少。
见下图，Ti被完全融化后材料内部无晶体组织结构，为流动态Ti。当打印出来一层后，根据王华明的介绍，Ti快速结晶并被控制在小尺度上，以OR生长出现有各向异性的小晶体。在控制温度的情况下，相信可以实现快速传质形成晶体（不讨论属于什么相），因为熔融Ti温度急降后，传质阻力增大，无法长大（见图“打印单元”）。但是晶体生长，根据目前的理解从一开始就是以内往外生长，越内部的结晶度越高，越外层的晶体缺陷越多，原子在外层很难规整排列。在晶体成长过程中，这里只有3种情况/假设：1，是小晶体内部温度比外部低；2，小晶体内部温度比外部高；3，小晶体内外温度完全一样。在第1种情况下，内部和外部受到体系能量的作用一样，那么形成晶胞的速度是一样的，也就是在绝对短的时间内飞速形成晶胞，并且这种杂乱无章的原子快速按绝对相同的形式和时间堆砌在一起。这种情况是不可能的（坍塌要是在这里出现，时间都会没掉。说明：我对天体物理不懂），主要是因为热量传递、原子传质、传递路程等在这个过程中内外是完全不一样的，也就无法达到这种内外完全一样的长大条件。第2中情况也是不可能的，因为内部温度高所代表的是高界面/面能量（后续解释），导致结晶度很差。而多余的热量必须通过外部的体系传递出去，就会导致外部温度提升，这就和这个假设相矛盾。合理的应该是第3种情况，内外温度不完全一样。为了理解这个问题，我们需要知道低体系能量对应低总晶面能量（各单位晶面能量乘以折合比表面积，不懂可以学习表面焓相关知识，例子可以找CVD模型，去了解为什么CVD需要特种基底），高体系能量对应高晶面能量（高折合比表面积）。（说明：根据王华明的介绍，晶粒尺寸很小，那么理论上就可以根据有代表性的精细结构计算这个快速凝固点的温度，怎么计算的，你不要问我，我可以给你写一文章了）。基于这个认识，内部温度低，所以内部先长成晶胞以内往外按OR方式长大，内部形成规整结构后，又把热量传递给外部，这样就形成一个梯度，原子一个一个叠到相应的面上。外部这个生长过程不会一下子停止，而是通过温度的降低，原子传质阻力增大来控制的，在这种状态下，外部原子粘附速率会根据体系的热传递性能降低，直到相对微晶的长大速率忽略不计（微晶尺寸基本被控制住不再长大）。但是这种生长方式的问题是外部的结晶度不高，会在晶体表面上形成大量的缺陷。这也就是为什么在材料领域上会出现“亚稳态”这个概念。在亚稳态材料中，内部结晶度比外部高，但是外部原子被凝固（或者传质速率被忽略不计）导致表面缺陷很多。王华明的论述是利用了激光融化后材料的迅速冷却来控制晶体的尺寸，这就会导致外部温度迅速降低，原子传质速率降低，形成更多的缺陷。如果要最大可能地消除这种缺陷，就需要在迅速降温的过程中有个控制。这个温度就不是室温，而是一定的高温（网络上公布的视频是为了演示，并不一定代表真实性），通过研究几组工艺条件下的微观显微结构，结合表面焓可以计算出接近的温度。在这点上，我认为王华明做这个绝对没问题。但是表面缺陷还是有一定的量（其实，这个必须有，没有的话后面就解释不通了）。上面论述的表面有缺陷的看法请先不要急着否认，因为这些没attach上去的原子对接下来的烧结是至关重要的。

王华明论述的是可以控制晶体的attach方式，我相信这个没问题。说烧结之前我先再解释下OA生长方式。在这种生长方式里面，最常见的是同个面结合在一起，因为同个面的能量最接近，所以相互attach是最稳定得选择（做相关研究的人到现在为止应该可以明白几点：1，为什么attach只在同个面之间进行；2，不同反应条件为什么出现attach的面是不一样的；3，为什么有些材料在主流的实验条件下只在某种面间才出现）。如果attach不在同个面间形成，那么这个就不是好的烧结了。但是前面长成的微晶中，排列方向上会千差万别，需要转动微晶创造面对面的形态。王所说的小晶粒复合这种条件，尺寸越小，转动所需要的体系能量越低，而微晶外部那些缺陷位置的原子在一定的温度下就可以形成类流体状态，使微晶在段时间内转动并且相互匹配。在面与面attach的位置会形成缺陷，因为微晶不可能完全一样（取向性，尺寸）。当微晶转动得差不多的时候，就可以继续降低到某特定的温度，attachment位置的缺陷就由表面的原子“修补”，最后形成不再变化的打印层材料。

但是，如果不控制上述的2个温度，那么晶体的OR和OA生长虽然能够出现，也能长出所描述的特定组织结构的的晶体，烧结缺陷就不会被控制到最小的程度。这种控制温度就是我在之前帖子里描述的“煅”（此煅非彼“锻”）。当然，在这个体系里面还必须考虑Ti的热膨胀系数。我说不了那么多，每个材料的热膨胀系数是不一样的，无法通用讨论。

第二个看法：打印单元间的界面消除是个巨大问题（见图“打印界面”）：打印有先后，为了控制成型速度，打印单元外部温度会比内部小很多，从所得到的信息也看到外部有氧化（黑色物质需要铣掉）。那么打印单元间的氧的存在就会影响层间的结晶情况。根据王华明的视频介绍，材料性能很好，那么这个问题也是被解决了的。但是我认为这个氧始终是存在界面间的，他对材料的影响我先不论述。有人就会疑问，两层间晶体生长方式本身就不一样，怎么可以形成组织结构完全一样的呢？我的看法有点类同，组织结构肯定不完全一样，但是可以做到尽量接近。

基于第一点的论述，第1层表面存在缺陷，有大量不稳定原子，而当控制好时间让第2层在恰当得时候打到第一层上面，通过热量传递，会在层界面形成OR成长。为了使两层组织结构尽量接近，就需要把第2层的厚度尽量降低，这样就可以近似认为第2层的晶体是从底部开始往上长的（因为底部于温度较低的第一层接触后是最迫切需要形成对应的稳定晶态）。在2层的接触瞬间，必须通过手段使氧能够尽量被去除。而层间OR生长后会从下往上最先形成OA生长所需要的晶面，这个晶面一旦形成后，第2层就开始从下往上取向生长，使2层间组织结构接近。但是这个分析只是在第2层厚度尽量薄（有时候应该也要考虑效率吧）并且是理想状态的的前提下的。在第2层内部也会形成结晶，需要体系供应能量（热量，流体表面张力，原子供应量等），不可能会和1、2层过度界面间的生长方式完全一样。除了第一点论述的缺陷以外，会导致更多的缺陷，这个新缺陷就是为了克服“转向”（使第2层内部和1,2层界面间取向一样）而产生的。层数越多，缺陷会越来越多。正是基于这点论述，我才在之前的帖子里说3D不是万能的，还需要后期的工艺提高、修补（比如我描述的“煅”，见第一点末尾），当然王华明的论述和我的看法是一样的，3D不是万能，而至是用于制造特定器件的一个工艺手段。

接下来，我就针对这些缺陷谈一下自己的看法，主要是以下几点
1，为了提高型材强度，我们需要diminish这些缺陷，材料的工艺控制只能做到一定的程度，但是如果后期进行一些处理(比如把材料加到某特定的温度“老化”及不同方向上的适中压力)，，让缺陷位置和界面间的“凝固”原子能够进一步迁移，按消耗能量最低的原理是其更加规整地attach到缺陷晶面上，那么材料的性能会更好。
2，通过以上我的论述，目前3D打印直接成单晶的可能性很低。王华明有说道在制备飞机发动机盘子和叶片的整体材料上做了一些工作。我们知道的是飞机叶片是高取向性的单晶，通过打印很难直接形成。但是，如果有后续的修复工艺，我认为叶片可以做到接近单晶的状态，虽然性能和单晶叶差距可能是巨大的。另外一个就是叶片和盘子的过渡问题，所面临的问题也还是和3D打印层间一样。这里有2个方法：a,分开来做每个单元，尽量控制两单元过渡面的取向生长方向一致，然后组装2组件，通过论述过的“第二个看法”里面涉及到的手段可以消除这种差异。b,我认为王华明的3D打印在匹配2组件上有优势，如果工艺上能够处理好过渡问题（见“第二个看法”），能够长出性能比较好的过渡层，相信他们能够解决。其实，在制备这种关键材料上，长单晶才应该是最关键的，这个也是3D打印的内伤（见我前面论述的两个看法），目前貌似无法解决。他所说的柱状晶什么的和取向单晶在某些特种性能更不是一个等级的。
3，掺杂合金的制备：王华明的技术在单一相（指单一元素）上,我认为是实现了，但是在制备特种合金、特种金属等需要掺杂外来相（指元素）的时候，上面的论述情况就完全变了，可以想象一种情况：某微晶和掺杂相形成了新结构的晶体（称为“新晶”），而某些没有和新掺杂相形成新结构的晶体“新晶”在界面能量、体系能量的差异会有一定的差异，缺陷会较单一相打印出来的材料要多。为了减小这种差异，在混合料的制备上非常关键，而打印也需要更长的时间让其传质。
4，3D打印在长单晶上的缺陷，使其目前也不太可能长适用尺寸的取向器件，比如按与最大轴向上最强抗力方向垂直取向生长制备超压型件，类推的还有抗拉伸等等。

激光3D打印的出现是一个巨大的成功，最直接的效果出现在商业上，在军用上也体现了一定的价值。但是我们要冷静看待这个技术，不要把这个技术吹成什么“神迹”一样，就像王华明所说的，不要把这个技术想成万能的，他有自身的缺陷和没有克服的一些问题，还需要不断发展。但是按照我的理解，如果能在激光3D打印的基础上，结合传统工艺，会更加完美。相信通过努力，激光3D打印技术会在军工上大放光彩。至于国外的发展，他在视频里说的一些话我不太赞同，这点我就不说了，说多了又是一大堆喷。

以下是王华明讲座文字简录。
视频: 北航大学王华明教授就飞机钛合金激光快速成型的应用在中科院讲座(http://v.youku.com/v_show/id_XNDczOTI0MzA4.html)
1,用激光融化材料，去做飞机发动机里面的一些高性能 难加工的大型整体构件。传统的制备涉及到重工业的设备。3D打印通俗地说就是增材制造（material additive manufacture），通过添加材料来做，从小尺寸的原型件快速成型到大型的高性能的构件的制造的应用。
2，背景：3D为什么突然热起来是因为美国，我们好多事情还是跟着美国跑。今年3月19号美国宣布了一个计划，要建立若干个制造创新中心来组成一个国家的网络，政府投资10亿美元，选择一些尖端领域，每个单位选择一个技术对他进行研发、示范、技术转移推向美国主流制造工业，产生就业机会，同时提升美国的全球制造业的领先/领导地位，去重整美国的制造业。经过5个多月的认证，美国选择了增材制造来建了第一个样板，为其他14个研究中心的建立提供示范。今年的8月16号就剪彩了，建立了一个“国家增材制造发明研究院”。研究院由政府管理，涉及10所研究型大学、6所社区、85家国际知名公司、19个行业职业协会及非营利性组织。我想这就是为什么我们从6月份开始，国家火炒这个3D打印。
3，什么是3D打印（增材制造）：传统的制造像雕刻，先做个磨具，然后大量地加工，就是传统的减法。这个事情当然很费事，原料浪费很多。增材制造就是先把材料化整为零分成很多小组件，然后一片一片叠起来形成整件。他基本的手段上还是用激光来融化材料。主要的方法一个是原型制造，用来制作树脂石蜡的一些原型样件。这个技术从80年代初开始到现在已经很成熟了。高性能的金属元件的制造，我个人的观点，虽然我做了20多年的研究，还是觉得是个难点，也是当前的热点和难点，国际上没有实质性的突破。这个就是很老的技术，现在火炒的3D打印，说可以在家庭里可以自己设计制造，我觉得不是这样的。现阶段主要是用来快速制造减短生产周期用以制备样品，他本身不能作为大批量生产的零件，那么主要的方法还是涉及到激光，用激光融化树脂然后制造。3D打印实际上是1986年恩里科•迪尼（Enrico Dini）发明的一种工艺（激光烧结，材料不致密，还要后续烧等工艺处理来提高性能）。
4，航空领域里面应用，尺寸都非常大，提高效率就是把尺寸做大。举例：发动机叶片需要涉及复杂工艺，需要很多很多钱（一个磨具7000万），材料利用率不到5%。这就是飞机那么贵制备那么困难的方法。现在世界上都在找更好的方法，当然这个激光增材是这个降低成本的一个方法。这个方法就是用粉末或者湿材作为原料，用高功率激光融化材料，一层一层地把这个零件长出来，不需要磨具，不需要烘装，也不需要万吨机的这种重型锻造装备。他可以节省大量的材料，优点有周期短、成本低、高效率。从这个角度来讲这个技术是个这个重型装备制造的一个变革性、低成本、短周期的这么一个技术。无疑对这个构件来说也是方向。这个技术呢确实还是美国人比我们牛，创新的思路还是从他们那里来的，1985年他们悄悄地干，92年解密，然后国防部投资了一系列的计划，当然还是主要军用飞机制造商，目前只能做一些小器件，做不了大的。原因在于激光温度高（~3000度，2500度），激光一走，剩下100度，所以z移（温度梯度）太大，导致材料变形非常大，小零件变形，大零件开裂；另外一个就是一点一点堆起来的东西（要往关键的地方用，性能是至关重要的），容易出缺陷，精密组织、凝固过程、显微组织很难控制，导致力学性能不行，没办法用于关键的构件，这个就是美国人干了20多年的结果。激光成型后再去锻压、再去煅造，性能还是不如铸件。2002年在f18上做了应用验证，2008年就倒闭。我们是2005年6月装机。国内外宣传很多，其实都是做些小玩意。
5，美国人现在不做增材制造，做的是表面修复、表面工程（信息从美国的行业会议论文目录里来）。我们的项目是：先进航空发动机项目、国防基础科研重大项目、国家863重点项目等。目前世界上还没有将用激光成型的构件直接应用到飞机上的例子，我们是第一个。我们解决的方法是做大（5平米），这么个东西还是靠激光搞出来的。这么个东西不是打出来的，而是激光搞出来的，我们要感谢这些搞激光的科学家。第二个就是性能这块，我们通过一系列的方法，通过控制晶粒形态，控制缺陷，控制显微组织，我们能使飞机构件的关键性能比锻件还好或者达到锻件的水平，举例（几个关键性能好于锻件）。因为激光一照下去，温度很高，一走就粘下来了，所以组织非常细，化学成分非常均匀，性能很好，但是他容易长成缺陷。这些缺陷就是把啥优点都抵消掉了，全完啦。Ti合金是个好东西，但是他有个最要命的缺点，缺点就是他一旦形成裂纹，这个裂纹就会高速扩展。现在有个方法是通过降低Ti合金强度来提高塑性，使裂纹走得慢一点。而我们的激光成型，不需要去改变成分，不需要去降低强度。不光是钛，还可以应用到钢。激光可以干很多事情，但是装备也很重要，我们做了一个装备，虽然土，但是很有用。
6：应用情况:919，其他的还不能说。解决了周期和成本材料的很多问题，2009年干了一个919的机头（舱框）。举例欧洲的高收费周期长，而我们花了很短的时间给他做了。另外还干了919中央翅膀边上的一段，节省材料90%以上。还有一个飞机上起落架上的零件，已经起飞了2000多次……等等（比传统锻造要好，解决了一些飞机研制的一些事情）。美国的f22机翼上的一个构件分成3个部分，通过等静压、焊接制备出来。我们用激光就可以长出这个一个零件，毫不谦虚地说，这儿是世界上性能最好的（我个人的理解，结合上下文和我自己的判断，说得应该是与激光3D长出来的对比，详见前几高楼的回复），美国人也只能通过锻造。
7，航空不行，叶片和盘子的应用上是分开来长。我们在这方面也做了一些工作，就是把这个盘子和叶片一起长，对叶片的组织随心所欲控制，这个地方长成柱状晶体，这个地方的高温性能就很好，这个地方我们让他长成等轴晶，他的可能低周疲劳性能也很好，如果他的温度太高，我们可以换材料。
8，展望：成本、周期优势，很多程度上是快速凝固、凝聚态里面的里面的一些东西，确实是带有变革性，我个人观点，但是这个东西不能包办天下，个人的观点是这个就适合难加工的高性能的贵的别的方法干不出来的，就是和别的有些区别，不是说什么玩意都用他啦。发展方向：周期、性能、成本，这个技术的发展取决于高功率激光的发展，希望国家设立重大专项支持高功率激光的研发，现在的激光器全是进口，我在想现在这一技术发展起来了后，国外对我们限制高功率激光器的出口。我们照美国的模式这样干，虽然没有这样的名分。假设哪天在30天内设计制造（在飞机啊发动机啊这些飞机构件上的制造），这种设想是可能的，我们不能说100%我们做出来了，但是我们已经做到。就是这样的一个前景，但是我们的能力有限，媒体说的什么第三次工业革命，这是不可能，这就是一个零件制造，他仅仅是零件制造一些特殊零件的一种变革，他本身并不构成第三次工业革命，所以有些就吹得过火。