關於3D打印與航空製造

昨天版內某人一直在鬼扯渾淆概念。因為那一個話題和3D打印無關我也懶得和他辯駁所以另開此帖，我昨天有大概檢索了下似乎島內對此領域並無太多的研究與探討所以在這轉載一些大陸的資訊與網民對此的討論介紹一下這一最新科技與舊有加工工藝技術的區別以及部分實際應用。



一、關於3D打印和金屬材料的小科普

這壹陣好幾個3D打印的帖子。許多不了解材料的人，對3D打印的原理和金屬材料的制備成型有些誤會。這裏簡單說幾句。因為書不在手邊，也是很久以前學的東西了，這裏說的全憑印象，術語未必準確。對3D打印的分析也是個人觀點。如果有錯誤，歡迎探討指正。



1、有缺陷，材料是不是就不能用了？


材料學所說的缺陷是特定的術語。和壹般人的感覺相反，金屬材料的強化，幾乎都是通過增多缺陷來完成的。而缺乏缺陷的金屬，其性能難以使用。（關於為什麽發動機需要用單晶，後面講）


不管是熔煉時加入合金元素，還是成型後加壓，前者是增加點缺陷來強化金屬，後者是增加線缺陷來強化金屬。

而鍛造對金屬缺陷的影響會比較復雜，但主要強化機理是通過非平衡的相變，將粗大的晶粒變成細小的晶粒——也是增加面缺陷（晶界）。不僅增加強度，也增加韌性。因此才獲得了最好的綜合力學性能。

這些缺陷將阻礙金屬變形的過程，因此能夠提高金屬的強度。

也就是說，缺陷並非越少越好。在很多情況下，都是越多越好。

對缺陷的控制是金屬材料學最重要的課題，是控制金屬微觀結構的重要途徑。鍛造、熱處理，其最終強化金屬的原理都在於控制缺陷（並非往少控制，而是消除有害缺陷，增多有益缺陷）

當然，缺陷會導致其它問題，對材料的性能有其它負面影響。比如內應力，需要回火消除。

王華明的3D打印技術，因為是將合金熔體快速冷卻，必然會產生內應力。後續也需要熱處理消除。但制得的工件性能優異，主要在於快速冷卻過程中產生了大量面缺陷，和鍛造的原理類似。所以也可以得到性能堪比鍛件的工件。



PS：所謂的焊接缺陷，也是因為高溫導致了焊接處發生了重結晶，小晶粒變大，面缺陷變少，導致強度和韌性下降。焊接缺陷，鑄造缺陷——這些說法裏的“缺陷”指的是工藝造成的金屬性能下降，和金屬微觀結構的缺陷有關，但並非是壹回事。



2、王華明的3D打印到底好在哪？


王華明在演講裏也說了，他最大的突破就是解決了冷卻和缺陷的問題。而之前那家搞增材制造的美國公司之所以破產，也是因為無法在這個問題上突破。

這裏他說，自己是用“土法”解決的，但不管怎麽說，他解決了。

正是因為解決了這個問題，所以他的技術獲得的工件性能十分優異。原因如上所述，他通過激光熔覆能夠獲得有有益缺陷的金屬基體。也就是說，他發明了壹種高級的“鍛造”，不需要水壓機，鍛錘，也能夠獲得晶粒細小的組織。而且這種組織是通過平衡相變壹點壹點“澆”出來的，而不是非平衡相變“砸”出來的，理應比鍛造更細，也更均勻。

而結果也的確如此。

而且這項技術未來的潛力遠不止如此。如果王華明能在機理上研究結晶過程的機理，那麽獲得的組織還可以進壹步細化，進壹步提高金屬材料性能，甚至通過定向地制造設計出的非均勻材料來。



3、3D打印不能夠用於量產嗎？


如前所述，王華明的激光熔覆技術獲得的工件在性能上遠超過鑄造件，也超過鍛造件。

有人說，3D打印只打個樣，量產時會用其它工藝。

這種說法忽略了最基本的事實。就是工藝不同的構件，性能也不同，強度、疲勞壽命都不同。特別是，如果原型機用3D打印制造，利用3D打印的特性造出了復雜形狀的零件，那麽其它工藝根本就無法使用。即便能夠使用，其性能會急劇降低。

試想，原型機用3D打印，換成量產機，過載也下降，壽命也下降，空重要大幅上升，這樣的原型機做出來有何用？即便忍了這些，強度實驗也要重做。


有人可能會說，3D打印的速度不行。但是現有的激光3D打印也能做到每小時5磅的速度，卻連船用主軸，反應堆外殼那種幾百噸的東西都準備打印了，顯然速度不是問題。

航空上構件最重才多重？



4、3D打印能夠取代現有工藝嗎？

目前3D打印受限於激光器的功率和冷卻工藝，打印速度不快。但其潛力已經初現。制造鈦合金構件，成型復雜形狀構件，都十分有優勢。試想，飛機設計師壹旦嘗到過3D打印工件在形狀、承力和壽命上的巨大優勢，怎麽會願意退回到以前的鑄造鍛造的時代，又何必如此？

如果能夠打印出強度和疲勞壽命都更好的起落架，為何還要使用原本的工藝？

當然，3D打印不會用於鋼板，鋼管這種現有工藝就能完成的。沒有必要，時間上也是浪費。

3D打印的成熟還需要時間，對傳統的成型工藝的影響，幾年後就會顯現。（從某些傳言看來，現在就已經對中航的壹些院所有影響。）



5、單晶、3D打印與航空發動機


有朋友認為單晶很好，沒有什麽缺陷。單晶單晶，只有壹個晶粒生長而成，聽起來就很完美。

然而壹開始卻說，缺陷少晶體，綜合力學性能較差。

那麽為什麽發動機葉片要用鑄造單晶？

因為，在常溫下和高溫下，單晶金屬和多晶金屬的性能表現是相反的。

簡單來說，多晶晶體在常溫下，晶界能夠阻止位錯運動，強化強度和韌性——但是在高溫下卻成了氧化和蠕變先發生的區域，變得很脆弱。

而單晶雖然有著其它缺點，因為不存在晶界，也就沒有這個致命缺點，因而應用於高溫環境。


3D打印目前來看，無法制造出單晶合金，因此在航空發動機溫度最高的熱端部件上應用有限。

但據說目前已經能夠制造出柱狀晶組織，至少可以應用於第二級渦輪。這個消息也佐證了壹點，就是王華明對於激光熔覆的冷卻工藝研究已經相當深入，可以制造出定向凝固結晶。

3D打印雖然不能制造單晶，但是卻可以將葉片直接打印在渦輪盤上，提高壽命，降低重量。這壹能力至少可以在壓氣機的葉片上使用。直接打印出結構復雜的空心葉片，或許對精度有更高要求。


渦輪盤的制造似乎已經有實物。性能如何，暫時不知。