近期，中央電視臺CCTV-9紀(jì)錄片《超級裝備》總導(dǎo)演韓晶對大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室主任、中國工程院院士、北京航空航天大學(xué)教授王華明進(jìn)行了專訪。

在訪談中，王華明院士以通俗易懂、風(fēng)趣幽默的語言，從凝固態(tài)物理與金屬材料科學(xué)的基本原理出發(fā)，結(jié)合我國大型飛機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等重大裝備關(guān)鍵零部件的制造案例，深入淺出地介紹了大型金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)的優(yōu)勢以及其與傳統(tǒng)制造技術(shù)的互補(bǔ)關(guān)系。

訪談內(nèi)容不僅有最前沿的金屬材料制備成形基礎(chǔ)科學(xué)話題，也有關(guān)于工業(yè)裝備設(shè)計(jì)、制造的實(shí)際案例，是關(guān)于材料與制造前沿技術(shù)很好的一節(jié)科普課。

當(dāng)王華明院士娓娓道來與增材制造技術(shù)難以割舍的“宿命”般的關(guān)系，也自然流露出了他樸素的家國情懷。

鏈接：專訪視頻

以下為專訪實(shí)錄（轉(zhuǎn)自《超級裝備》紀(jì)錄片微信公眾號）：

紀(jì)錄片《超級裝備》在長達(dá)數(shù)年的創(chuàng)作過程中，曾走訪多位裝備領(lǐng)域的資深專家及行業(yè)領(lǐng)軍人物。籍此片在嗶哩嗶哩上線之際，節(jié)目組特別推出人物專訪系列片。本期是節(jié)目總導(dǎo)演韓晶對中國工程院院士、北京航空航天大學(xué)教授、大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實(shí)驗(yàn)室主任、北京煜鼎增材制造研究院首席科學(xué)家王華明的專訪。

韓晶：

王老師您好！您研究3D打印這么多年，可以說成績斐然。那么與傳統(tǒng)的制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)最大的優(yōu)勢有哪些呢？

王華明：

從材料上說，自然界的材料就兩種，一種是非金屬材料，一種是金屬材料。我一直做金屬材料，所以我今天可能就談?wù)劷饘?。隨著現(xiàn)在科技的進(jìn)步，隨著人們對裝備的要求越來越高，對金屬性能的要求也越來越高，金屬的合金成分就越來越復(fù)雜。

傳統(tǒng)金屬零件的主要成型方法，是先把合金融化了，就是通過爐子，把各種合金元素融化成液體，再進(jìn)行澆筑，然后冷卻成固體。

假如我要做一個(gè)飛機(jī)的起落架，或者非常大的一個(gè)零部件，我首先要煉出1噸或者甚至10噸的一個(gè)鑄錠。煉合金本身就很不容易，因?yàn)楹辖鹪睾芏?，有的可能很活潑，有的熔點(diǎn)非常高。假如你要在鐵里面加很多鎢，鎢的熔點(diǎn)3000多度，鐵的熔點(diǎn)1000多度，你加了鎢，它又化不了，就要沉底。所以我們?nèi)蹮挼脑挘家谜婵盏母袘?yīng)爐，真空的電弧熔煉爐，真空的電閘熔煉，最終保證煉出來的金屬液，化學(xué)成分是均勻的、清潔的。這需要很多裝備，需要投很多錢。

然后，再把它給澆鑄出來，就是把10噸鋼水澆到一個(gè)鑄錠里。它可能要冷好多天才能冷下來，也就是會冷得很慢很慢。冷得慢，就帶來了問題。

液體變成固體，是一個(gè)結(jié)晶的過程。金屬材料都是晶體，冷得慢，結(jié)晶出來的晶體的尺寸就會很粗，化學(xué)成分就會不均勻，我們稱之為“偏析”。一個(gè)鑄錠從表面到中心，化學(xué)成分會相差很遠(yuǎn)。從鑄錠的頂部到底部，化學(xué)成分也相差甚遠(yuǎn)。中心可能還有疏孔，因?yàn)閺囊后w變成固體，金屬會收縮。收縮到中心，就像空心蘿卜，不僅有疏孔，還會有夾雜物，化學(xué)成分不均勻。

唯一的辦法，就是再去鍛造，把空心蘿卜壓實(shí)。原來結(jié)晶出來的晶體很粗，通過鍛造的方法把它打細(xì)，這樣才能保證它有好的性能。

從液體變成固體的過程，我們稱為“凝固”過程。要解決結(jié)晶粗的問題，辦法就是讓金屬從液體變成固體的過程冷得快，就是“快速凝固”。這是學(xué)科的前沿，不光是金屬材料科學(xué)學(xué)科的前沿，也是凝聚態(tài)物理最前沿的主題。就是金屬液體在100萬度或者1000萬度每秒的冷卻條件下，它是怎么結(jié)晶的。只要冷得快，結(jié)晶出來晶體就細(xì)，化學(xué)成分就均勻。

一個(gè)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪盤，如果你用傳統(tǒng)的鑄造方法去做，渦輪盤的性能就是不行。你想要加更多的合金元素，就像炒菜你想加更多的鹽，你加進(jìn)去了又拌不均勻，它就會“偏析”。我吃到鹽的時(shí)候我咸死了，但有的地方還是淡的，這就是“偏析”。

所以，為了解決這個(gè)問題，我干脆就把我們煉出來的金屬液噴成霧，用超音速的氣流，把金屬液噴得像毛毛雨一樣，噴出小液滴，10個(gè)微米或者20個(gè)微米的小液滴。小液滴在氣流冷卻下，一瞬間就冷成固體，變成金屬粉末了。這個(gè)時(shí)候，小粉末里的化學(xué)成分就會很均勻，組織也會很細(xì)。

所以現(xiàn)在，全世界公認(rèn)，要解決金屬材料尤其是合金化程度高的、高性能的難加工的合金材料，最有效的手段，就是成功實(shí)現(xiàn)快速凝固，就是以每秒1000度到100萬度甚至1000萬度的冷卻速度冷下來。但是那樣，你也只能得到粉末，一滴粉末變不成渦輪盤。

而3D打印剛好相反，我用激光一照，任何材料都可以融化，不管你熔點(diǎn)有多高，我都可以熔煉。熔煉完，激光往前一跑，靠下面的傳熱，可能每秒鐘100萬度，一瞬間冷下來。一層層往上生長，這樣我就可以實(shí)現(xiàn)快速凝固，不是得到粉末，而是得到大的零件。3D打印的變革性就在這個(gè)地方，組織非常細(xì)，性能會更好。

在打印過程中，你還可以控制晶體的大小，控制它的伸展。我沿著這個(gè)方向伸展，可能這個(gè)方向的持久壽命就高。我還可以根據(jù)零件不同部位的要求，控制它的化學(xué)成分，甚至可以做到每個(gè)地方的成分都不一樣。這個(gè)地方要耐高溫，我用耐高溫的材料；這個(gè)地方要耐腐蝕，就用耐腐蝕的材料；這個(gè)地方要高導(dǎo)熱，我用高導(dǎo)熱的材料。

以前，很多復(fù)雜的金屬結(jié)構(gòu)，你用傳統(tǒng)制造方式是做不出來的。打個(gè)比方，原來飛機(jī)上的零件可能要2萬個(gè)，有了3D打印技術(shù)之后，飛機(jī)上的零件說不準(zhǔn)就變成6000個(gè)了，因?yàn)楹枚嗔慵梢宰兂梢粋€(gè)整的。假使一個(gè)零件是三個(gè)方向XYZ，樹上還長刺，你鍛造就很難了。而3D打印反正我是長出來的，我可以把結(jié)構(gòu)做得很復(fù)雜，很整體，這種效果對于飛機(jī)性能的提升是非常有利的。我認(rèn)為，這是3D打印最大的優(yōu)勢之一。

第二個(gè)就是制造。一臺3D打印機(jī)可能就幾百萬，或者1000萬，我設(shè)備很簡單。我直接打印出來，就不需要做鑄錠了，不用開模具了。開一套模具可能就是100萬、1000萬，做一臺壓機(jī)動(dòng)輒多少個(gè)億，現(xiàn)在都不需要了。原來你鍛了之后得到一個(gè)毛坯，這個(gè)毛坯可能加工量會很大。像航空零件，一般鍛出來一個(gè)模鍛件，95%以上要被切削掉，浪費(fèi)材料巨多。

現(xiàn)在，通過3D打印出來的零件，跟它的最終形狀會很接近，我也許就去掉1毫米，可以節(jié)省大量的材料。原來3噸的一個(gè)毛坯，可能要加工掉2900公斤，剩100公斤。現(xiàn)在我可能就是120公斤，加工掉20公斤，剩100公斤。

所以，3D打印可以節(jié)省裝備，節(jié)省材料，節(jié)省加工，很關(guān)鍵的就是節(jié)省時(shí)間。假如咱們的飛機(jī)總設(shè)計(jì)師把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完了，我今天晚上就開始打印，可能兩天以后，零件就做出來了。

韓晶：

3D打印就像您所描述的，是“嫩芽”在一毫米、一毫米地生長。當(dāng)它生長完成的時(shí)候，它可能就是“一棵樹”。是不是可以這樣來理解，3D打印技術(shù)是讓打印出來的東西最接近于最終成品的一種制造方式？

王華明：

理論上來說，不管零件有多大，我就是一點(diǎn)一點(diǎn)往上長，我可以做到零件上任何一點(diǎn)的結(jié)構(gòu)、組織性能都是一樣的，里面沒有缺陷。

但是，我剛才說的只是它的優(yōu)點(diǎn)，3D打印做大型金屬零件，其實(shí)是非常非常困難的?！皹涿纭痹谝稽c(diǎn)點(diǎn)往上長，長的姿勢很美妙，但是在往上沉積上一層的時(shí)候，有可能層與層之間就會出來一個(gè)氣孔，局部地方?jīng)]有長在一起，這就是缺陷。這個(gè)缺陷對于零部件的性能可能是致命的，飛機(jī)起落架可能就是因?yàn)檫@個(gè)缺陷，在降落的時(shí)候就墜毀了。

剛才說3D打印是在冷卻速度非常快的情況下，它才能產(chǎn)生好的性能。但也因?yàn)槔鋮s速度太快，帶來的問題也是致命的。冷卻速度非常快，意味著內(nèi)應(yīng)力會非常大。就像把一個(gè)人，你現(xiàn)在正在發(fā)燒40度，把你“咣”地扔到冰水里，再從冰水里撈出來，再把你扔進(jìn)去，可能兩下人就完了。

金屬其實(shí)也一樣，假如從1000多度瞬間冷卻到100度，可能還不到一秒鐘時(shí)間。零件是一層一層地生長，可能要長1000層，經(jīng)過1000次這樣的瞬間冷卻，最終它的應(yīng)力會非常大。應(yīng)力非常大的話，你稍微做大一點(diǎn)，這零件就翹了。再做大一點(diǎn)，就裂了。所以有時(shí)候加工零件，我好不容易干了20天，已經(jīng)快做成了，突然“咣”地驚天動(dòng)地的一聲，零件斷成了三截，就是內(nèi)應(yīng)力讓它斷掉了。

怎么才能讓你的樹在打印過程中一直往上長，不要斷？只要是做大型金屬零件的3D打印，通過熔化、凝固這條路，這是永恒的難題。我相信這個(gè)挑戰(zhàn)會持續(xù)存在，我們常說“十年磨一劍”，其實(shí)你用一生的時(shí)間能把這些問題解決掉，可能就不錯(cuò)了。因?yàn)檫@是前沿，在極端冷卻速度快的條件下的應(yīng)力控制，這也是搞非線性力學(xué)的前沿。所以我覺得結(jié)果很美妙，過程很艱辛。

韓晶：

看著“嫩芽”一毫米、一毫米地生長，本身是非常美妙的感受。但這個(gè)生長過程，我們其實(shí)是冒著巨大的風(fēng)險(xiǎn)的，因?yàn)樗S時(shí)可能夭折。有人提出，3D打印作為一門新興的前沿科學(xué)技術(shù)，未來有可能會取代傳統(tǒng)的制造工藝和制造技術(shù)。對于這一點(diǎn)，您怎么看？

王華明：

3D打印其實(shí)一點(diǎn)都不神秘，就是把三維的事情當(dāng)成二維來做。原來這個(gè)物體是立體的，現(xiàn)在把它當(dāng)成平面，相當(dāng)于一張紙、一張紙地往上摞，每一層就是一張紙。從這個(gè)意義上來說，它的變革性就是解決了一個(gè)形狀不受制約的問題。以前你要做一個(gè)特別復(fù)雜的東西，比如內(nèi)部都是空腔，拐彎抹角的又細(xì)又小的結(jié)構(gòu)，刀子又伸不進(jìn)去?，F(xiàn)在有了3D打印，不管有多復(fù)雜，我一切片就是一個(gè)平面圖形，我永遠(yuǎn)是在做平面。所以3D打印的變革性，就是解決了結(jié)構(gòu)，你可以隨心所欲。

但要說它會取代傳統(tǒng)的制造技術(shù)，我覺得是不現(xiàn)實(shí)的。就像一架飛機(jī)，我不可能只靠一種技術(shù)就把它完整制造出來，我肯定是采用各種技術(shù)，博采眾長，才能做出最好的飛機(jī)，成本還最低。

在我看來，金屬零件的3D打印，至少不會取代傳統(tǒng)的減材制造，取代不了切削加工，同樣也取代不了鍛造和鑄造。如果做一個(gè)結(jié)構(gòu)特別簡單的零件，可能用鑄造和鍛造會更便宜、更快，性能也會非常好。而3D打印做出來可能又慢，成本又高，沒有任何優(yōu)勢。所以我覺得，每一種技術(shù)都有它的適用范圍。

金屬3D打印的優(yōu)勢要真正發(fā)揮出來，還有很多基礎(chǔ)問題有待解決。你怎么控制它在打印過程中不產(chǎn)生缺陷？怎么控制它不變形并且還能打印得更快？我們現(xiàn)在一小時(shí)只能打印幾公斤，當(dāng)然現(xiàn)在通過電弧等離子，我們可以做到最快每小時(shí)300公斤，但你能不能做得更快？還需要很多人潛下心來，真正去做研究。

韓晶：

很多人用一種生動(dòng)形象的語言來描述3D打印，說打印的過程就像春蠶吐絲，像燕子筑巢，而您則說它像一棵樹的生長。我想，一個(gè)人跟某個(gè)事物相處的時(shí)間久了，就會跟它形成一種非常特殊的關(guān)系。王老師能不能跟我描述一下，您跟3D打印之間是怎樣一種特殊關(guān)系？

王華明：

這個(gè)關(guān)系可能就是宿命！

首先是你學(xué)的專業(yè)。當(dāng)時(shí)上大學(xué)的時(shí)候，為了保證能被錄取，我選志愿就選最冷門的。別人都不愿意去學(xué)鑄造，OK，咱們學(xué)鑄造。

鑄造就是熔煉，就是晶體的伸展。那個(gè)時(shí)候是用爐子去熔煉，現(xiàn)在是用高能束、用激光、用電子束、用等離子束去熔煉；原來是煉一大爐子，現(xiàn)在就煉一個(gè)很小的熔池；原來煉幾十噸，現(xiàn)在我就煉幾克或者幾十克。但是，我化整為零，雖然每次、每天都煉得很少，但我一天到晚不停地?zé)?，最終，我煉出來的也是大東西。

其次，和你成長的社會環(huán)境有很大的關(guān)系。我們正處于我們國家從落后中奮起直追、再快速發(fā)展的過程當(dāng)中，對3D打印有很大的社會需求，這種需求可能也是引領(lǐng)我們進(jìn)行相關(guān)科學(xué)研究的一種動(dòng)力。我們的飛機(jī)需要高性能的零部件，用傳統(tǒng)方法做，性能又不行，而通過3D打印，既解決了科學(xué)前沿問題，又實(shí)現(xiàn)了我們國家重大裝備的制造需求。我覺得，歷史給了我們機(jī)會，使我們能夠把科學(xué)前沿的研究，跟國家裝備的需求緊密結(jié)合起來。假如再早20年，我相信是干不成這件事的。

韓晶：

個(gè)人的抱負(fù)跟國家的發(fā)展能夠同步協(xié)調(diào)，共同步入一個(gè)向上的臺階，這對于個(gè)人、對于團(tuán)隊(duì)來說，本身也是一個(gè)非常重要的機(jī)遇。非常感謝王老師的分享！

《超級裝備》第二季（共五集），聚焦中國能源、醫(yī)療、基建、交通、救援五大領(lǐng)域最前沿的18個(gè)尖端裝備，展現(xiàn)幾代裝備人的偉大創(chuàng)造和艱辛付出，反映中國在建設(shè)現(xiàn)代化國家征途中取得的非凡進(jìn)步。

該片由中央廣播電視總臺影視劇紀(jì)錄片中心出品，國務(wù)院國資委、國家衛(wèi)生健康委、交通運(yùn)輸部、國家能源局、中國工業(yè)經(jīng)濟(jì)聯(lián)合會協(xié)助拍攝。