金属3D打印与先进粉末冶金材料——访国家“千人计划”专家，东北大学特聘教授张德良

本刊记者 李 丹

：您认为金属3D打印技术发展和应用的主要瓶颈是什么？

张德良：金属3D打印技术的研发和广泛应用为我国制造业快速升级转型，达到国际一流水平，提供了一个难得的机会。我国信息技术和互联网技术的飞速发展，为金属3D打印技术的快速发展和广泛应用提供了很好的支持。金属3D打印技术发展和应用的主要瓶颈是可靠性有待证实、效率低和成本高。

（1）可靠性。金属3D打印的零部件是通过大量微小熔池的凝固和融合堆积而成的，人们对用此工艺制造的金属材料性能的可重复性和可靠性没有很深的认识，从而缺乏信心。这需要科研工作者和工业界进行大量的重复制造和应用试验，并进行系统概率统计分析，分析出可能影响材料性能的主要因素和出现缺陷的概率，以此定义材料性能的保险值和必要的检测手段及程序，并通过建立国家标准使其法律化。这样3D打印零部件才有望大批量使用。

（2）效率低。成形能力非常强的激光（或电子束）选区熔化金属3D打印工艺非常慢，需要几十小时才能打印出一个几千克重的零部件。虽然可以通过使用多个激光束（电子束）或多个机器提高生产速率，但仍不能满足量产的需求。需要开发一种新型复合成形技术，既能充分利用金属3D打印的超强成形能力，又能利用其他金属加工工艺的快速成材能力，大幅度提高金属3D打印复杂形状零部件制造速度。

（3）成本高。金属3D打印零件的成本太高，一个1kg的Ti-6Al-4V合金零部件制造成本达到0.5～1万元人民币。这么高的成本没有多少应用能承受得了，势必造成金属3D打印零部件有价无市，整个市场相比其他金属工艺制造的零部件数量和质量总量非常微小。以TC4钛合金为例，如果把适合于激光选区熔化的钛合金超细粉末（球形颗粒尺寸为15～53μm）的成本减到500元/kg以下，金属3D打印制造成本减到500元/kg以下，再使用复合成形技术，同时零部件的性能和可靠性达到航空铸件的水平，很有可能大幅度扩大钛合金3D打印零部件的应用。

：团队研发的纳米结构或超细结构金属基纳米复合材料及制备技术有望被工业界采用，请简要介绍一下这个项目，以及在技术和产品性能上有哪些优势？

张德良：我们团队通过加工金属粉末和纳米陶瓷粉末混合体制备纳米结构金属基纳米复合材料粉末，再通过热机械固结该粉末制备纳米结构或超细结构金属基纳米复合材料型材（主要是棒材）样品，研究棒材的显微组织和力学性能。应用这种新型粉末冶金工艺，已经成功制备具有高拉伸强度（达到600MPa）、拉伸塑性好、高导电率（达到80% IACS，国际时效铜导电率标准）的超细结构铜基纳米氧化铝弥散强化纳米复合材料。通过该新型粉末冶金工艺路径，采用低成本6063和其他铝合金车削屑以及纳米SiC粉末，制备出超细结构铝合金基SiC纳米颗粒强化纳米复合材料棒材，拉伸强度达到500MPa以上（是对应粗晶铝合金强度的2.5倍以上），具有良好的拉伸塑性。通过提高粉末加工效率和使用回收金属车削屑，可以大幅度降低这类先进材料的制造成本，使其性价比明显高于对应的粗晶合金材料。现在团队一方面和工业界企业合作推进这类新材料制造技术的产业化和新材料的应用，一方面继续深入研究该类材料的制备工艺条件-显微组织-性能的关系，加强材料科学基础研究。

：在降低钛合金粉末冶金制造成本、提高钛合金构件性能方面，您取得哪些研究进展？

张德良：我们直接采用海绵钛或低成本钛合金粉末为原料，通过短流程、高效率（包括材料利用率）、低能耗大幅度降低成本。通过热机械固结粉末保证零部件和型材具有接近100%理论密度的高致密、细小结构，从而使钛合金零部件和型材的性能与挤压型材的性能相媲美。通过十几年的研究已经确认其可行性，奠定了坚实的理论和知识基础。已经和工业界企业建立了合作关系，集中推进该技术的产业化，并预计在2017年内实现目标零部件的小批量制造和应用。该技术进一步开发和推进产业化的难点在于应用市场开发。希望通过目标零部件的制造、应用测试、成功应用和高性能、低成本的展示鼓励更多潜在用户和我们团队合作开发多种目标零部件，快速达到100 t以上年产量。一旦达到这个产量水平，中国低成本高性能钛合金零部件和型材粉末冶金制造技术研究、开发和应用将处于国际领先地位，并为国际同行塑造令人振奋的大幅度降低钛合金零部件和型材制造成本的典范。现在全球钛合金制品的产量和应用量只有十几万吨，希望通过大幅度降低原料成本，以及低成本高性能钛合金零部件和型材粉末冶金制造技术的研究、开发和产业化，能够使钛合金制品的年产量和使用量增加几倍甚至几十倍。

：发展金属回收料的再生研究有哪些重要意义？

张德良：金属材料是经过多道冶炼和加工后得到的有价值物质，所以金属回收料大都再利用。现在主要的再利用途径是把金属回收料重新熔化，和新的金属混合制备合金或其他金属基材料。我们的研究和技术开发主要聚焦于金属回收料，尤其是金属碎屑回收料的固态再生，即不经过熔化使其变成金属或金属基复合材料零部件和型材。这个技术的重要意义在于充分利用金属回收料的优良固态材质，同时因避免重熔而大幅度降低能耗。重熔金属回收料会摧毁回收料经过多次加工获得的优秀冶金品质。对于非常细小的金属碎屑回收料，在空气下重熔还会造成大量的材料氧化损失，所生成的氧化物还会增加再生材料内的杂质含量。我们通过研究开发出直接固结金属碎屑回收料或固结以金属碎屑回收料为原料制备出的金属粉末的粉末冶金工艺，获得的零部件和型材样品的显微组织和性能可与对应的原生金属的显微组织和性能相媲美。中国制造业产生大量的金属碎屑回收料，估计每年达到1000万t以上。把这些金属碎屑回收料通过固态再生制成金属零部件或型材，将节省几百亿元的能耗，并减少对环境的冲击。同时这些材料也可以成为制造高性能先进金属材料的低成本原料。由此可见，进行金属碎屑回收料固态再生技术的研究、开发和产业化具有重大经济和社会意义。在这方面，我们团队进行了一系列研究，开发出几项专利技术，正在与工业界企业合作推进技术的产业化。