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人物专访 | 突破“天花板”——北航王华明院士访谈录

宣布时间：

2020-05-15

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北京航空航天大学，是《超等装备》拍摄之旅的第十站。11月17日，中国工程院院士，金属激光增材制造技术专家，北航教授、大型金属构件增材制造国家工程实验室主任王华明先生接受了总导演韩晶的会见。

人物专访 | 突破“天花板”——北航王华明院士访谈录

Q：王院士您好！从事3D打印技术多年，您和团队取得了令人瞩目的成绩。那么，您当年是如何与3D打印结下不解之缘的呢？

A：我在大学里学的是铸造，金属零部件的成形制造要领。进入3D打印这个领域，其实比较偶然。1989年我博士生结业，来到中国科学院金属研究所读博士后，研究航空发动机涡轮叶片的制造技术。其时我接纳了激光外貌逐层熔化手段，对发动机叶片进行修复，结果发明，修复后的叶片，性能比原来的要好。因为激光熔凝，会使聚集上去的质料，在一瞬间抵达很高的温度，又瞬间冷却，从液体酿成固体。这样，金属内部的晶体就会变得很是细小，化学身分更均匀，零件的性能自然就更好。

其时我就想，如果运用激光熔凝技术，把金属质料一层层叠加上去，那么制造出来的叶片，跟古板要领制造的叶片相比，性能就会爆发质的提升。但其时，我还没有想到要去做3D打印。读完博士后，我作为德国洪堡基金会“洪堡学者”去了德国，主要研究激光外貌工程。如果一个零件要耐磨，我就用激光熔凝技术在它外貌打印一层特殊的耐磨质料，这个零件就会变得很是耐磨，这就是激光外貌工程。学铸造，主要就是研究金属的结晶，晶体生长，也就是凝固理论。厥后去做金属3D打印，只是换了一种手段，基础照旧原来的基础。

Q：这是一个有趣的例子。早年学习的铸造基础理论，为您在日后在金属3D打印这一块打下了稳固的基础。然后在某个时刻，您突然发明可以用一种全新的要领来制造一些工具。这在其时可能只是灵光乍现，但厥后，却因此改变了一生。?

A：对�Ａ碛幸桓鲆蛩�，我想和需求有关。飞机、航空发动机等高端装备，一些大型要害结构件，用古板要领去制造是很是困难的，价钱也是巨大的。就像有些工具已经快到“天花板”了，你想再进一步提高和突破，可能你支付的价钱很大，但收益却很小。所以有时候，换一种思路，一切就可能变得很简单。我想，这可能就是我萌生用3D打印技术去制造大型金属构件这个念头的起因吧。

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人物专访 | 突破“天花板”——北航王华明院士访谈录

Q：其实事物的生长都有着相似的纪律，就像艺术的生长，西方古典绘画走到十九世纪下半叶，也碰到了类似您说的“天花板”，想要突破很是困难，不得不寻求对古板的反动和推翻，所以像印象派、野兽派等现代主义绘画就起来了。工业科技的生长纪律也同样，也有一个突破“天花板”的历程。那么与古板制造技术相比，3D打印技术的最大优势是什么呢？

A：我着重谈一下金属3D打印吧，它的最大优势就是性能。随着科技的进步，人们对装备的要求越来越高，金属质料的化学身分也越来越庞大，这就对金属的性能提出了更高的要求。古板的金属零件成型要领，是把种种合金元素通过炉子熔化成液态合金，然后浇铸成固体铸锭，再把它铸造成零件毛坯。

这个要领的最大问题，就出在从液体酿成固体的这个历程。因为合金元素有的很生动，有的熔点很高，有的里面另有杂质，所以熔炼要用真空感应熔炼炉、真空电弧熔炼炉、真空电渣熔炼炉，包管熔炼出来的液态金属化学身分是均匀和清洁的。然后，再把液态金属浇铸到铸锭里，还要冷上好多天。从液体酿成固体，是一个结晶的历程。液态金属冷得慢，结晶出来的晶体就很粗，化学身分就不均匀，就会偏析。并且从液体酿成固体会收缩，中间就像空心萝卜，这样的铸件性能是欠好的。唯一的调解步伐就是再拿去铸造，通过铸造把空心萝卜压实，把晶体打细，以包管它的性能。

现在全世界都知道，解决这个问题的要领，就是液体酿成固体要冷得快，也就是快速凝固。这不可是金属质料学科的前沿，也是凝聚态物理的最前沿。为了解决这个问题，我们炼出两吨的金属液，用超音速气流，把液体喷射雾化成像毛毛雨一样的雾状液滴，几十个微米的小液滴，在高速冷却气流作用下，小液滴瞬间就凝固成固体了，并且化学身分稳定，组织很细。再把这些粉末收集起来，先压实，再通过加热，把它们扩散连接固化在一起，航空发动机的涡轮盘就这样做出来了。

用古板要领，好比，你要往水里加油，你是加不进去的。再好比，你想把钨元素加到铁里面，钨的熔点是三千多度，铁的熔点只有一千多度，钨的比重要比铁重许多，你把钨加到铁里面，它就沉底，就熔化不了，这就是问题。但关于激光来说，不管你熔点多高，激光可以熔化任何质料，并且让熔化后的液体以每秒一百万度甚至更高的的冷却速度结晶，实现快速凝固。这样结晶出来的晶体组织很是细，化学身分很是均匀，性能很是好。

3D打印技术不但能直接制造任意庞大的金属构件，还可以控制晶体的巨细和晶体生长的偏向。如果往这个偏向生长性能好，那我就往这个偏向去生长�；箍梢云揪萘悴考畋鸩课坏氖褂靡�，控制它的化学身分。好比零件的这个部位需要耐高温，那我就用耐高温质料去打印这个部位；零件的那个部位需要耐腐化，那我就用耐腐化质料去打印那个部位。这就是金属3D打印的最大优势之一，对零件差别部位“量体裁衣”定制特殊性能。

Q：人们普遍认为，3D打印技术的优势在于节约时间和制造本钱，而您适才说的最大优势，是让金属质料在高温下瞬间熔化并瞬间凝固，从而使零件的内部结构更细腻致密，性能更好。

A：是的，制造周期缩短和本钱大幅降低，虽然是3D打印的明显优势。用古板工艺制造大型要害金属构件，要开模，要重型锻压机，要铸造，开一套�？赡苄枰赴偻蛏踔辽锨�，要花几个月时间，一台万吨级锻压机造价可能是几个亿，而好禁止易铸造出来的零件毛坯，90%以上可能要被切削加工掉，质料浪费很大，制造周期很长，本钱虽然也很高。现在通过3D打印，就无需开模，无需铸造和切削，虽然也无需大型工业母机了，打印出来的零件基本接近最终的零件形状，省料，省工，省时。

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Q：您一经说过，看着自己的3D打印作品像小树那样一毫米一毫米地生长，是一个很是美妙的历程。能让我们分享一下您的这种感受吗？

A：在3D打印历程中看到零件一层层地长高，感受确实很美妙，但这是因为打印大型金属零件，技术难度太大了。因为3D打印是一层一层往上熔化凝固聚集的，每往上沉积一层，层与层之间，可能局部某些地方没有熔合在一起。这个缺陷，关于零件的性能是很是致命的。如果你打印了一个有缺陷的飞机起落架，它就会成为整架飞机最致命的一个宁静隐患！

打印的零件性能要好，激光烧熔的金属粉末就必须迅速冷却，瞬间凝固。但冷却速度越快，意味着应力越大。就像一个人，正发着40度的高烧，你把他“咣”一下扔到冰水里，再从冰水里捞出来，然后再把他扔进去，可能几下他就完蛋了。金属也一样，从一千多度瞬间冷却到一百度，可能还不到一秒钟的时间，并且这个零件要一层层聚集到几百层甚至几千层才华完成，最终它的应力会很是巨大，稍微做大一点，零件就翘了。有时候做一个零件，眼看就要成了，可是过大的应力，却让这件胜利在望的零件裂了。所以，只要是用快速熔化凝固的要领，打印大型金属零件，控制内应力，避免打印历程中零件变形开裂，永远都是一个难题。

人有时候做一件事情，不是说“十年磨一剑”，很可能是用一生时间，能解决一个问题就不错了。就因为历程太艰辛，所以当你掌握了解决之道，看着零件像小树那样茁壮生长的时候，你才会感应美妙。

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人物专访 | 突破“天花板”——北航王华明院士访谈录 ?

Q：关于3D打印，人们似乎很愿意用一种生动形象的方法来描述它，有人说它像春蚕吐丝，燕子筑巢，而您说它像树苗的生长。我想，一个人与某个事物相处久了，会跟它形成某种特殊的关系，您能描述一下您和3D打印之间的特殊关系吗？

A：上大学时我学的是铸造，铸造的基础理论就是金属熔炼和凝固结晶。已往用炉子熔炼，现在用激光、电子束、等离子束等高能热源去熔炼。已往是炼一大炉合金，几吨、几十吨，现在是炼很小的小熔池，几克或者几十克。已往各人都不肯意干铸造，因为又脏又热，所以上完本科后，我就不想再搞铸造了，那就去搞金属激光3D打印吧。可是厥后我发明，它实质上照旧金属的熔炼和凝固，照旧“铸造”�；蛐�，这就是所谓的宿命吧！

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Q：人生的门路有千万条，您选择了金属3D打印这条路，并且生逢其时，结果斐然。那么您认为，是您选择了历史，照旧历史选择了您？

A：我觉得一方面是跟自己的经历有关吧。你学的专业，你的导师，你的团队，其实有许多人会影响你的一生，影响你并决定你今后去干什么。另一方面，跟你生长的社会时代配景也有很大的关系。我们正处于国家从比较落后到抖擞直追的历史进程中，快速生长的国家，需要一些重大装备制造技术的突破。通过3D打印技术，既解决了科学前沿问题，又实现了国家的重大装备制造需求。我们现在常说弯道超车，就是说我们不在古板路线上随着你跑了，我们现在有了新要领，一下子就超车跑到你前面去了。我相信，一个人的命运一定是和国家命运联系在一起的，再早20年，我可能没有条件去干金属3D打印这件事，再晚20年，我可能照旧没有时机去做这件事。

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Q：个人的理想能与国家的生长、民族的再起连接在一起，实在是一种幸运。最后我想问的是，3D打印作为新生事物，有人说它将来有可能会取代古板制造技术。关于这一点，您是怎么看的？

A：3D打印技术其实并不神秘，它是随着人类科技的进步而泛起的一种新技术。简单来说，就是把庞大的三维构件制造，酿成简单的二维叠加制造。一个立体的零件，不管它有多庞大，你把它切成无数层二维薄片，那么每一片就是一个平面图形。一个立体零件由无数个平面图形叠加而成，相当于你一张纸一张纸往上摞，并粘结成三维庞大零件。

3D打印技术从上世纪八十年代爆发，到现在已经30多年了，全世界的产值加起来可能还不到一百亿美元，也就是说，它现在的市场价值并不大。可是由于它的制造方法完全改变了，由盘算机自动控制，代表了智能制造技术的未来生长偏向，因此它的前途很是辽阔。

但这并不料味着，3D打印就能取代古板制造技术。就像我们造一架飞机，肯定是接纳了多种制造技术，3D打印只是其中的一种技术。它跟古板制造技术，应该是一种互补的关系。如果我做一个结构简单的金属小零件，用古板要领可能更自制，更快，性能也很好，而用3D打印，可能又慢，本钱又高，没有任何优势。但如果制造重大装备的大型庞大、高性能、要害性金属零件，3D打印技术，无论在制造周期、产品性能、制造本钱等方面，都具有古板制造技术无可相比的厘革性优势。

所以我希望，人们在关注3D打印技术这个看法自己的同时，能够更多地潜下心来做深入的研究，多解决一些影响3D打印潜力发挥的要害科学技术基础问题。

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