关于3D打印和金属材料的小科普，也澄清几个常见的误会。

这一阵好几个3D打印的帖子。许多不了解材料的人，对3D打印的原理和金属材料的制备成型有些误会。这里简单说几句。因为书不在手边，也是很久以前学的东西了，这里说的全凭印象，术语未必准确。对3D打印的分析也是个人观点。如果有错误，欢迎探讨指正。



1、有缺陷，材料是不是就不能用了？


材料学所说的缺陷是特定的术语。和一般人的感觉相反，金属材料的强化，几乎都是通过增多缺陷来完成的。而缺乏缺陷的金属，其性能难以使用。（关于为什么发动机需要用单晶，后面讲）


不管是熔炼时加入合金元素，还是成型后加压，前者是增加点缺陷来强化金属，后者是增加线缺陷来强化金属。

而锻造对金属缺陷的影响会比较复杂，但主要强化机理是通过非平衡的相变，将粗大的晶粒变成细小的晶粒——也是增加面缺陷（晶界）。不仅增加强度，也增加韧性。因此才获得了最好的综合力学性能。

这些缺陷将阻碍金属变形的过程，因此能够提高金属的强度。

也就是说，缺陷并非越少越好。在很多情况下，都是越多越好。

对缺陷的控制是金属材料学最重要的课题，是控制金属微观结构的重要途径。锻造、热处理，其最终强化金属的原理都在于控制缺陷（并非往少控制，而是消除有害缺陷，增多有益缺陷）

当然，缺陷会导致其它问题，对材料的性能有其它负面影响。比如内应力，需要回火消除。

王华明的3D打印技术，因为是将合金熔体快速冷却，必然会产生内应力。后续也需要热处理消除。但制得的工件性能优异，主要在于快速冷却过程中产生了大量面缺陷，和锻造的原理类似。所以也可以得到性能堪比锻件的工件。



PS：所谓的焊接缺陷，也是因为高温导致了焊接处发生了重结晶，小晶粒变大，面缺陷变少，导致强度和韧性下降。焊接缺陷，铸造缺陷——这些说法里的“缺陷”指的是工艺造成的金属性能下降，和金属微观结构的缺陷有关，但并非是一回事。



2、王华明的3D打印到底好在哪？


王华明在演讲里也说了，他最大的突破就是解决了冷却和缺陷的问题。而之前那家搞增材制造的美国公司之所以破产，也是因为无法在这个问题上突破。

这里他说，自己是用“土法”解决的，但不管怎么说，他解决了。

正是因为解决了这个问题，所以他的技术获得的工件性能十分优异。原因如上所述，他通过激光熔覆能够获得有有益缺陷的金属基体。也就是说，他发明了一种高级的“锻造”，不需要水压机，锻锤，也能够获得晶粒细小的组织。而且这种组织是通过平衡相变一点一点“浇”出来的，而不是非平衡相变“砸”出来的，理应比锻造更细，也更均匀。

而结果也的确如此。

而且这项技术未来的潜力远不止如此。如果王华明能在机理上研究结晶过程的机理，那么获得的组织还可以进一步细化，进一步提高金属材料性能，甚至通过定向地制造设计出的非均匀材料来。



3、3D打印不能够用于量产吗？


如前所述，王华明的激光熔覆技术获得的工件在性能上远超过铸造件，也超过锻造件。

有人说，3D打印只打个样，量产时会用其它工艺。

这种说法忽略了最基本的事实。就是工艺不同的构件，性能也不同，强度、疲劳寿命都不同。特别是，如果原型机用3D打印制造，利用3D打印的特性造出了复杂形状的零件，那么其它工艺根本就无法使用。即便能够使用，其性能会急剧降低。

试想，原型机用3D打印，换成量产机，过载也下降，寿命也下降，空重要大幅上升，这样的原型机做出来有何用？即便忍了这些，强度实验也要重做。


有人可能会说，3D打印的速度不行。但是现有的激光3D打印也能做到每小时5磅的速度，却连船用主轴，反应堆外壳那种几百吨的东西都准备打印了，显然速度不是问题。

航空上构件最重才多重？



4、3D打印能够取代现有工艺吗？

目前3D打印受限于激光器的功率和冷却工艺，打印速度不快。但其潜力已经初现。制造钛合金构件，成型复杂形状构件，都十分有优势。试想，飞机设计师一旦尝到过3D打印工件在形状、承力和寿命上的巨大优势，怎么会愿意退回到以前的铸造锻造的时代，又何必如此？

如果能够打印出强度和疲劳寿命都更好的起落架，为何还要使用原本的工艺？

当然，3D打印不会用于钢板，钢管这种现有工艺就能完成的。没有必要，时间上也是浪费。

3D打印的成熟还需要时间，对传统的成型工艺的影响，几年后就会显现。（从某些传言看来，现在就已经对中航的一些院所有影响。）



5、单晶、3D打印与航空发动机


有朋友认为单晶很好，没有什么缺陷。单晶单晶，只有一个晶粒生长而成，听起来就很完美。

然而一开始却说，缺陷少晶体，综合力学性能较差。

那么为什么发动机叶片要用铸造单晶？

因为，在常温下和高温下，单晶金属和多晶金属的性能表现是相反的。

简单来说，多晶晶体在常温下，晶界能够阻止位错运动，强化强度和韧性——但是在高温下却成了氧化和蠕变先发生的区域，变得很脆弱。

而单晶虽然有着其它缺点，因为不存在晶界，也就没有这个致命缺点，因而应用于高温环境。


3D打印目前来看，无法制造出单晶合金，因此在航空发动机温度最高的热端部件上应用有限。

但据说目前已经能够制造出柱状晶组织，至少可以应用于第二级涡轮。这个消息也佐证了一点，就是王华明对于激光熔覆的冷却工艺研究已经相当深入，可以制造出定向凝固结晶。

3D打印虽然不能制造单晶，但是却可以将叶片直接打印在涡轮盘上，提高寿命，降低重量。这一能力至少可以在压气机的叶片上使用。直接打印出结构复杂的空心叶片，或许对精度有更高要求。


涡轮盘的制造似乎已经有实物。性能如何，暂时不知。











这一阵好几个3D打印的帖子。许多不了解材料的人，对3D打印的原理和金属材料的制备成型有些误会。这里简单说几句。因为书不在手边，也是很久以前学的东西了，这里说的全凭印象，术语未必准确。对3D打印的分析也是个人观点。如果有错误，欢迎探讨指正。



1、有缺陷，材料是不是就不能用了？


材料学所说的缺陷是特定的术语。和一般人的感觉相反，金属材料的强化，几乎都是通过增多缺陷来完成的。而缺乏缺陷的金属，其性能难以使用。（关于为什么发动机需要用单晶，后面讲）


不管是熔炼时加入合金元素，还是成型后加压，前者是增加点缺陷来强化金属，后者是增加线缺陷来强化金属。

而锻造对金属缺陷的影响会比较复杂，但主要强化机理是通过非平衡的相变，将粗大的晶粒变成细小的晶粒——也是增加面缺陷（晶界）。不仅增加强度，也增加韧性。因此才获得了最好的综合力学性能。

这些缺陷将阻碍金属变形的过程，因此能够提高金属的强度。

也就是说，缺陷并非越少越好。在很多情况下，都是越多越好。

对缺陷的控制是金属材料学最重要的课题，是控制金属微观结构的重要途径。锻造、热处理，其最终强化金属的原理都在于控制缺陷（并非往少控制，而是消除有害缺陷，增多有益缺陷）

当然，缺陷会导致其它问题，对材料的性能有其它负面影响。比如内应力，需要回火消除。

王华明的3D打印技术，因为是将合金熔体快速冷却，必然会产生内应力。后续也需要热处理消除。但制得的工件性能优异，主要在于快速冷却过程中产生了大量面缺陷，和锻造的原理类似。所以也可以得到性能堪比锻件的工件。



PS：所谓的焊接缺陷，也是因为高温导致了焊接处发生了重结晶，小晶粒变大，面缺陷变少，导致强度和韧性下降。焊接缺陷，铸造缺陷——这些说法里的“缺陷”指的是工艺造成的金属性能下降，和金属微观结构的缺陷有关，但并非是一回事。



2、王华明的3D打印到底好在哪？


王华明在演讲里也说了，他最大的突破就是解决了冷却和缺陷的问题。而之前那家搞增材制造的美国公司之所以破产，也是因为无法在这个问题上突破。

这里他说，自己是用“土法”解决的，但不管怎么说，他解决了。

正是因为解决了这个问题，所以他的技术获得的工件性能十分优异。原因如上所述，他通过激光熔覆能够获得有有益缺陷的金属基体。也就是说，他发明了一种高级的“锻造”，不需要水压机，锻锤，也能够获得晶粒细小的组织。而且这种组织是通过平衡相变一点一点“浇”出来的，而不是非平衡相变“砸”出来的，理应比锻造更细，也更均匀。

而结果也的确如此。

而且这项技术未来的潜力远不止如此。如果王华明能在机理上研究结晶过程的机理，那么获得的组织还可以进一步细化，进一步提高金属材料性能，甚至通过定向地制造设计出的非均匀材料来。



3、3D打印不能够用于量产吗？


如前所述，王华明的激光熔覆技术获得的工件在性能上远超过铸造件，也超过锻造件。

有人说，3D打印只打个样，量产时会用其它工艺。

这种说法忽略了最基本的事实。就是工艺不同的构件，性能也不同，强度、疲劳寿命都不同。特别是，如果原型机用3D打印制造，利用3D打印的特性造出了复杂形状的零件，那么其它工艺根本就无法使用。即便能够使用，其性能会急剧降低。

试想，原型机用3D打印，换成量产机，过载也下降，寿命也下降，空重要大幅上升，这样的原型机做出来有何用？即便忍了这些，强度实验也要重做。


有人可能会说，3D打印的速度不行。但是现有的激光3D打印也能做到每小时5磅的速度，却连船用主轴，反应堆外壳那种几百吨的东西都准备打印了，显然速度不是问题。

航空上构件最重才多重？



4、3D打印能够取代现有工艺吗？

目前3D打印受限于激光器的功率和冷却工艺，打印速度不快。但其潜力已经初现。制造钛合金构件，成型复杂形状构件，都十分有优势。试想，飞机设计师一旦尝到过3D打印工件在形状、承力和寿命上的巨大优势，怎么会愿意退回到以前的铸造锻造的时代，又何必如此？

如果能够打印出强度和疲劳寿命都更好的起落架，为何还要使用原本的工艺？

当然，3D打印不会用于钢板，钢管这种现有工艺就能完成的。没有必要，时间上也是浪费。

3D打印的成熟还需要时间，对传统的成型工艺的影响，几年后就会显现。（从某些传言看来，现在就已经对中航的一些院所有影响。）



5、单晶、3D打印与航空发动机


有朋友认为单晶很好，没有什么缺陷。单晶单晶，只有一个晶粒生长而成，听起来就很完美。

然而一开始却说，缺陷少晶体，综合力学性能较差。

那么为什么发动机叶片要用铸造单晶？

因为，在常温下和高温下，单晶金属和多晶金属的性能表现是相反的。

简单来说，多晶晶体在常温下，晶界能够阻止位错运动，强化强度和韧性——但是在高温下却成了氧化和蠕变先发生的区域，变得很脆弱。

而单晶虽然有着其它缺点，因为不存在晶界，也就没有这个致命缺点，因而应用于高温环境。


3D打印目前来看，无法制造出单晶合金，因此在航空发动机温度最高的热端部件上应用有限。

但据说目前已经能够制造出柱状晶组织，至少可以应用于第二级涡轮。这个消息也佐证了一点，就是王华明对于激光熔覆的冷却工艺研究已经相当深入，可以制造出定向凝固结晶。

3D打印虽然不能制造单晶，但是却可以将叶片直接打印在涡轮盘上，提高寿命，降低重量。这一能力至少可以在压气机的叶片上使用。直接打印出结构复杂的空心叶片，或许对精度有更高要求。


涡轮盘的制造似乎已经有实物。性能如何，暂时不知。