各國白熱化競爭的戰略性革命技術，其發文情況和我國的產業化如何？

1. 3D打印技術簡要介紹

3D打印即快速成型技術的一種，又稱增材制造，是一種采用高能束為熱源，通過材料逐層堆積，實現構件無模成形的數字化制造技術。金屬零件 3D 打印技術原理是將金屬粉末或絲材，在激光或電子束等加熱條件下，按軟件設定的路徑同步熔化、堆積，最終成形出設計的零件實體。不同種類的金屬 3D 打印技術主要是通過熱源種類、原材料狀態以及成形方式加以區分。金屬 3D打印的熱源主有激光、電子束和電弧，原材料狀態主要為粉末和絲材，成形方式主要包括鋪料、送料條件下的燒結成形及熔化成形。

采用 3D 打印技術制備金屬零件，與傳統制造技術相比，具有以下突出優勢：

1、無需大尺寸模具加工和毛坯制備無需大型或超大型工業裝備。

2、實現無模具近終成形，極大地節省材料，制造成本低、周期短。

3、適用材料廣泛，可以制備采用傳統方法難以加工的金屬材料。

4、能夠在制造過程中根據零件的實際使用需要設計不同部位的成分和組織，提高零件的綜合性能，擴大應用范圍。

5、具有對構件設計的高度柔性與快速反應能力，降低新產品開發風險。

3D打印技術出現在20世紀90年代中期，風靡于21世紀，特別是在2010年后，一系列由3D打印技術生產的產品開始為人們所熟知。3D打印之所以能夠如此受歡迎，就是它將以往所有的機械加工通過逐漸去除材料來成形實體產品的“減材制造”，變成通過逐漸添加材料的方式來形成實體產品的“增材制造”思路，而這一改變對人類制造來說無疑是一場巨大的革命。到目前為止，3D打印已經在高端產業發揮著重要作用，例如：2014年10月11日，英國一團隊用3D打印技術制備了一枚火箭，并準備讓這個世界上第一個打印出來的火箭升空。團隊隊長海恩斯說，有了3D打印技術，要制造出高度復雜的形狀并不困難。在計算機輔助設計的軟件上做出修改后，打印機將會做出相對的調整。美國國家航空航天局2015年4月21日報道，NASA工程人員正通過利用增材制造技術制造首個全尺寸銅合金火箭發動機零件以節約成本，NASA空間技術任務部負責人表示，這是航空航天領域3D打印技術應用的新里程碑。2020年5月5日，中國首飛成功的長征五號B運載火箭上，搭載著“3D打印機”。這是中國首次太空3D打印實驗，也是國際上第一次在太空中開展連續纖維增強復合材料的3D打印實驗。隨著對這門技術研究的日趨深入，3D打印將逐漸發揮出更大的光芒，這將是極大地改變人類制造業的生產方式并引發一場重要的變革。許多傳統制造業將面臨極大淘汰，人類工業文明也將上升到一個新臺階。正是該技術的重要性，幾乎所有國家都在投入大量人力、物力、財力來研究該技術，并力爭占據該技術制高點。

2. 頂刊發文情況（以Nature、Science及其子刊為代表）

在Web of Science上，筆者搜到的關于增材制造的文獻數量為95105篇，其涉及的方向如下圖，可以看出，主要研究方向在工程應用、化學和材料科學三大領域。每年的發文情況如圖2所示，可以看出，文章數量逐年遞增，說明該研究方向越來越火，各國的投入也不越來越大。從國家的發文數量來看，美國第一，俄羅斯第二，中國排名第三。

圖1?增材制造各個方向的發文情況

圖2 增材制造方向發文量逐年遞增

圖3 各國的發文數量對比

由于筆者研究的是金屬材料，所以現將金屬材料3D打印方向的突破性進展歸納如下，主要以Nature、Science及其子刊為代表，當然可能總結的不全，歡迎大家進行補充。

1）3D打印高強鋁合金

基于金屬的增材制造，或稱三維(3D)打印，是一跨多個行業的潛在顛覆性技術，包括航空航天、生物醫學和汽車行業。逐層地構建金屬組件增加了設計的自由度和制造靈活性，從而實現復雜幾何形狀的產品制備，增加了產品定制，縮短了上市時間，同時消除了傳統的規模經濟約束。然而，目前只有少數合金，如AlSi10Mg, TiAl6V4, CoCr和Inconel 718等，可以可靠地打印。在人類使用的超過5500種合金中，絕大多數不能進行增材制造，因為在打印過程中的熔化和凝固動力學導致大柱狀晶粒和周期性裂紋的微結構，嚴重降低了合金的性能。在這篇文章中，作者證明這些問題可以通過在增材制造過程中引入控制凝固的形核劑粒子來解決。首先根據結晶學信息選擇形核劑，并將其應用在7075和6061系列鋁合金粉末上。經形核劑摻雜化后，發現這些先前不適合增材制造的高強度鋁合金可以使用選擇性激光熔煉成功加工。實驗得到了無裂紋，等軸(即晶粒長度、寬度和高度大致相等)的細晶微觀組織，使得材料的強度可與變形材料相媲美。該文以鋁合金為基礎的增材制造方法適用于其他的合金，并可以使用一系列增材設備來實現。因此，它為廣泛的工業應用奠定了基礎，包括使用電子束熔煉或定向能量沉積技術代替選擇性激光熔煉，并將使其它合金系統的增材制造成為可能，如不可焊鎳高溫合金和金屬間化合物。此外，該技術還可用于連接、鑄造和注塑等傳統工藝，其中凝固開裂和熱撕裂也是常見的問題（如圖4）。

圖4 選區激光熔化增材制造鋁合金。中央示意圖概述了添加劑制造工藝，利用激光或電子束融化一層金屬粉末(黃色)，經過粉末凝固(紅色到藍色)，使其與之前的(底層的)金屬層(灰色)融合；a、常規Al7075粉料；b、納米形核劑摻雜化的Al7075粉末；c，包括Al7075在內的許多合金都傾向于通過枝晶柱狀生長來凝固，導致凝固收縮產生裂紋；d，合適的納米顆粒可以誘導異質形核，促進等軸晶生長，從而降低凝固應變的影響；e、如IPF圖所示，當使用傳統方法進行3d打印時，許多合金呈現帶有大晶粒和周期性裂紋的微觀結構；f、用納米顆粒摻雜粉末原料可以產生細的等軸晶粒生長并消除熱裂；g、3d打印，拓撲優化的Al6061活塞構建板；h, 3d打印Al7075 HRL標志^[1]

2)?馬普所最新《Nature》，增材制造1.3GPa強度，10%延伸率新型鋼材

激光增材制造對于利用計算機輔助設計模式從金屬粉末中生產復雜的三維部件具有吸引力，這種方法可以通過使用高冷卻速率和循環再加熱來實現對加工參數的數字化控制，從而調控合金的微觀結構。激光增材制造(LAM)的部件經歷了特定的熱過程。首先是從液態快速淬火，然后是內在熱處理(IHT)，即由大量短的溫度峰值組成的循環再加熱。在定向能沉積(DED)中，零件是由激光熔化粉末由載氣通過噴嘴輸送。提供了局部調整微觀結構的機會。通過調整了DED工藝參數，以調節制造過程中的時間溫度分布，從而實現了對馬氏體形成和析出的精確、局部控制，從而控制了機械行為。研究表明，這種循環再加熱，即所謂的本征熱處理，可以在激光添加劑制造過程中觸發鐵鎳鋁合金的鎳鋁沉淀。該文報告了為激光增材制造量身定做的Fe₁₉Ni₅Ti(重量百分比)鋼。這種鋼通過鎳鈦納米沉淀法原位硬化，馬氏體也在原位形成，從200℃的溫度開始。在制造過程中對納米沉淀和馬氏體相變的局部控制導致了橫跨多個長度尺度的復雜微觀結構層次，從大約100微米厚的層到納米級的沉淀物。受古大馬士革鋼有軟硬層的啟發，該工作生產了一種鋼，軟硬層交替。具有1300MPa的抗拉強度和10%的伸長率，顯示出優越的機械性能。這里所采用的原位沉淀強化和局部組織控制原理可廣泛應用于沉淀硬化合金和不同添加劑的制造工藝。

圖5 ?DED-制造Fe₁₉Ni₅Ti (wt%)樣品^[2]

3）皇家墨爾本理工大學增材制造中心Mark Easton教授3D打印超細晶粒高強度鈦合金

通過對鈦合金相圖的研究，發現Cu的最大固溶濃度c_0-max為17%，Q_max?= c_0-maxm(k – 1) = 110.5 K，m是液相線的斜率，k是溶質分配系數。銅也是一個典型的共析元素，鈦二元合金系統中β→α+ Ti₂Cu發生在792°C。由于銅在鈦中擴散迅速，即使在水淬后也很難阻止這種共析反應的發生。這些特性有利于在增材制造過程中較高的冷卻速率，并可能產生非常精細的共析微觀結構，從而提高合金的強度和塑性。該文作者通過單步3D打印了Ti-（6.5-8.5Cu）合金，制造出了各向等大的β鈦晶粒和超細共析組織的鈦合金。3D打印態鈦-銅合金的晶粒細化效率來自于銅溶質在固液界面前形成足夠大的結構過冷區，使溶質銅在固液界面周圍析出時形成β鈦枝晶。充分的過冷可以有效地抵消高熱梯度的負面影響，保證在過冷區觸發異質成核，實現完全的柱狀-等軸過渡。高的冷卻速率會限制原子的擴散，從而抑制共析耦合生長，產生馬氏體，所以在Ti-8.5Cu合金的等軸組織內發現了馬氏體，層間平均間距為46 nm±7 nm。；拉伸性能的測試表明，與傳統鑄造和后熱處理工藝相比, 具有超細原始β晶粒和共析層狀結構3D打印鈦銅合金的力學性能擁有優越的屈服強度和延展性。該工作首創性地為長壽命材料的制造、選取和工程設計提供科學依據，對構筑高效、穩定的固態制冷技術具有重要的科學與技術意義。

圖6 3D打印Ti-Cu合金的組織和力學性能^[3]

4）金屬所利用3D打印研發出高阻尼、高吸能與形狀記憶兼得的鎂基仿生材料

鎂合金中，強度和阻尼能力往往是相互排斥的性質。如果能在基于鎂的材料中實現形狀記憶或自我恢復的概念，這將是提高耐久性的迫切需要，進一步為這些材料和結構的工程智能版本提供新的功能。為了解決這些問題，該文提出一種設計策略，其包括對鎂基復合材料的相組成和結構的刻意調整，以及實現這一目標的可行的制造技術的發展。

首先，選擇一種增強相來增強鎂；這一強化相就是NiTi形狀記憶合金。在所有金屬中NiTi屬于具有良好阻尼性能的材料。這種合金在高溫下會由于馬氏體向奧氏體轉變而發生原位變形，從而恢復到原始形狀，此時鎂的蠕變剛剛開始。這一由于相變產生的內應力可以提供復合（復相）材料變形的驅動力。其次，作者設計了一種三維的相互滲透相的結構，各自組成相在拓撲上是雙連續和相互聯系的。這種結構帶來的好處是：1.合金的結構完整性和連續性對于提高復合材料的強化效率和提高有效載荷轉移的回收率是必要的；2. 還可以促進實現良好的阻尼能力和增強損傷容限。第三，采用兩步增材制造法制造鎳鈦合金支架，然后將鎂熔滴無壓滲透到支架中，制備Mg-NiTi復合材料。

本研究證明了在Mg-NiTi互穿相復合材料中如何同時獲得高強度、高阻尼能力、良好的能量吸收效率和顯著的自恢復能力。該復合材料在環境溫度和高溫下的強度都有所提高，超過了混合物規則對其成分的估計，并表現出優異的抗損傷性能（如圖7）。這些特性伴隨著其在不同應變振幅下阻尼能力的協同增強和高能吸收效率，這在鎂合金和鎂合金復合材料中很少能實現。此外，由于鎳鈦合金中的馬氏體-奧氏體相變與鎂基體的低蠕變電阻的耦合作用，使復合材料變形后的初始形狀和強度都能得到較大的恢復。具體而言，鎳鈦合金骨架提供了高的加工硬化能力，并為復合材料的自粘接提供了驅動力;此外，它還可以實現用于制造的滲透過程。具體而言，鎳鈦合金骨架提供了高的加工硬化能力，并為復合材料的自粘接提供了驅動力;此外，它還可以實現用于制造的滲透過程。它還能抵抗微觀結構中各組分的損傷演化，從而提高復合材料的高能吸收效率，促進回收過程。所以，該研究獲得了史無前例的綜合性能的Mg合計，同時具有高強度和高阻尼性能和高的能量吸收特性。這一設計思路和得到的研究結果為鎂合金的工程結構應用和生物鎂合金的應用開辟了新的方向和提供了新的設計思路。

圖7?Mg-NiTi室溫下的機械性能和變形行為^[4]

5）北航最新3D打印抗疲勞高性能材料—鎳鈦合金

彈熱致冷是一種固態冷卻技術，利用潛熱釋放和吸收應力誘導相變。然而，與轉換有關的遲滯現象不利于有效的能量轉換和功能耐久性。通過巧妙設計 “工藝-微結構-屬性-性能”， 利用3D打印技術能夠制造出高效熱力學性能、超窄滯后的應力制冷材料（如圖8）。該文作者通過3D打印技術制造了鎳鈦合金，利用局部熔融環境和元素粉末的近共晶混合，創造了熱力學有效、低滯后的彈性熱冷卻材料。微觀表征發現其內部形成了散布在二元合金基體中的富鎳金屬間化合物的納米復合微觀結構。在準線性應力-應變行為中，這種納米復合微觀結構允許極小的遲滯，從而把提高材料效率4 - 7倍，并且可重復彈性熱性能超過100萬循環。所以，對彈性熱冷卻材料實施增材制造，可以對具有長疲勞壽命的高性能金屬制冷劑進行獨特的微觀結構控制。

圖8 定向能沉積彈性熱鎳鈦納米復合材料的設計，(A) L-DED過程的示意圖。Ni和Ti粉末的流動是單獨控制的。將Ni和Ti粉末混合，然后送入激光束。誘導熔池移動形成一層一層的材料；（B）Ni-Ti相圖；(C至H)分別在[(C)、(E)和(G)]頂視圖和[(D)、(F)和(H)]正面視圖中拍攝L-DED生產的鎳鈦納米復合材料棒、管和蜂巢的照片；(I to K)已構建Ni_51.5Ti_48.5/Ni₃Ti納米復合材料的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像(I)、亮場透射電子顯微鏡(TEM)圖像(J)和高分辨率、高角度環形暗場掃描TEM (HAADF-STEM)圖像(K)；(L)快速傅里葉反變換(IFFT)圖像中所圈的點FFT的圖象^[5]。

6）頂刊評述：金屬3D打印將成高溫合金制造的顛覆性技術！

高溫合金是一種以鎳、鈷或鐵為基礎的金屬混合物，在接近熔點的高溫下工作時能抵抗高溫變形、腐蝕和氧。它們最初用于渦輪噴氣發動機的燃氣輪機部件，現在廣泛用于航空航天和發電行業的高溫應用。為了實現這些高溫性能，顯微結構控制是至關重要的，并通過特定的合金元素添加物和精心的制造工藝的結合來實現。

傳統上，鑄造高溫合金如果不通過機械加工進行冗長而昂貴的減法制造，就無法獲得結構良好的機械性能。今天，我們仍然使用精密鑄造工藝。為了生產一個噴氣發動機渦輪葉片，冷卻通道的蠟模型和硅基復制品都需要為生產的每個部件創建一個陶瓷模具，在真空條件下鑄造出數公斤的熔融金屬。冷卻到環境條件是不可能抑制γ'沉淀析出。此外，需要在1300℃(剛好低于熔點溫度)下進行數小時的熱處理，以減少鑄造過程中的偏析。最后，需要加工來形成最終復雜的渦輪葉片幾何形狀。部件加工過程中產生大量的廢料/報廢:只有大約10%的高溫合金最終成為成品。使用3D打印或增材制造(AM)代替熔模鑄造，可以使加工過程發生根本不同的變化，減少制造步驟和最小的加工浪費。然而，隨著AM制造的中空結構的渦輪葉片越來越多的得到應用，我們所面臨的挑戰也不少（如圖6）。例如，當激光同金屬粉末接觸時，所有可能發生的四個物質狀態的階段：液體、固體、氣體和等離子體，均是相互作用的，幾乎沒有一個物理模型可以將上述復雜過程一下子就描述清楚。此外，快速和重復加熱循環的本質也造成了溫度梯度和化學、顯微組織以及機械狀態的亞穩態、觸發冶金缺陷等，這些是對性能有著致命的影響。最后，大多數傳統高溫合金并不能直接從傳統工藝移植到3D打印工藝，這是因為傳統制造高溫合金的工藝是為特定工藝優化的結果，如鑄造、鍛造、焊接等。由于AM快速和重復熱循環的工藝特征，為了適應高溫合金的AM制造，需要利用計算機來對成分-工藝相關的數據驅動技術來進行優化設計出新的合金成分來，以實現定制，從而符合AM制造所需要的顯微組織和性能。新型的優化后用于3D打印的高溫合金可用于高溫合金的無裂紋和無氣孔的AM制造。

圖9?數字化設計3D打印金屬科學和技術上的挑戰^[6]

3. 我國的產業化

西工大黃衛東老師說：“3D打印技術是推動人類社會實現重大變革的新技術，已經成為國際大國之間戰略性競爭的一門新型技術，競爭異常激烈”。所以說3D打印技術正在引發全球范圍的技術變革，各國都在力爭占據該技術的制高點。搞好3D打印技術不僅可以讓制造更加“隨心所欲”，還可帶來豐厚的經濟效益。掌握該技術的制高點就意味著在軍事，醫療等行業的極大進步。歐美發達國家對于該技術的研究投入不斷增加。

3.1 我國3D打印的格局

我國目前已經有眾多3D打印的企業，從地區上看，3D打印技術相關企業多布局在北京、上海、廣東、江蘇等較為發達地區（如圖7），這能反映3D打印門檻較高的特點。在中國，3D打印產業有著近40%的年化增長率，年均增速21%，雖然說我國的數量以及質量與發達國家有一定差距，但是我國的進步卻是最快的。2019年西工大黃衛東教授在上海交大的學術報告指出：1）.3D打印的世界格局——美國具有全球性的壓倒優勢，中國總體上處于世界先進水平。美國擁有絕大部分主流3D打印技術的原創專利，中國從2017年起3D打印專利數量超過全球其他國家的總和；美國和德國平分3D打印裝備的世界頂尖品牌，中國初露頭角；美國3D打印產業應用占世界三分之一強，中國處于世界第二，占美國的三分之一弱，但發展速度世界最快。2）.中國擁有發展3D打印技術與產業的巨大機會——巨大的產業需求，聚集全球優秀人才的絕佳機會，處于國家戰略的核心。3D打印將助力大學“雙一流”建設。目前為止，許多國內高校和研究院都已經研究3D打印技術并力圖實現產業化，比較有影響力的高校如北京航空航天大學、西安交通大學、華中科技大學、西北工業大學等。

3.2 西工大鉑力特公司

雖然全球主流的3D打印公司都分布在發達國家，但是以西工大鉑力特、華曙高科為代表的國內企業的表現也開始受到矚目。其中以西工大黃衛東教授為首席科學家，依托西工大凝固技術國家重點實驗的鉑力特公司，領導著國內3D打印技術最為前沿的團隊，先后承擔多個國家級和省部級的增材制造科研攻關項目，是目前國內產業化最好，實力最強，影響力最大的中國龍頭3D打印公司，已具世界性聲譽，公司也開啟了科技成果轉化的“西工大模式”。公司業務范圍涵蓋原材料、設備以及定制化產品服務，從金屬粉末到3D打印的應用都能占據一席之地，實現了全產業布局，其核心業務及產品的關鍵技術性能方面達到了國際先進水平。在應用領域，占據最大市場份額的鉑力特還覆蓋我國航空航天、汽車、通信等多個優勢領域。該公司依托于成立于2011年，有著雄厚的科研底蘊與實力。其中S310型號設備通過了空中客車公司認證，成為空客A330機型增材制造項目主要設備；S500型號設備全球首次實現單向1500mm級大尺寸增材制造，填補國內空白；S600型號設備突破了四光束聯動掃描與拼接等關鍵技術，實現了三向600mm大尺寸增材制造。S500、S600等大型SLM設備解決了我國大型航空航天精密復雜構件的生產制造瓶頸問題。美國專家在考察西工大3D打印的發展狀況，也不禁感嘆“他們做的要比我們好！”

圖10 3D打印企業在國內的布局

2012年，受中國商飛委托，黃衛東教授團隊研制出了第一個近3米高的C919飛機中央翼緣條，該產品在C919的設計驗證階段發揮了重要的作用，這也標志著該項技術在航空工業領域的應用取得了巨大的突破。在隨后的幾年里，這一技術為中國商飛、中航工業、中國航發、中國航天科工、中國航天科技等200多家單位，制造超過3萬件金屬零件，批量應用于一批先進的飛機、發動機、火箭和衛星等國家重大任務。鉑力特已經自主研發了十余個型號的3D打印設備，其3D打印零件產品也已經應用于民用飛機、先進戰機、無人機、新型導彈、空間站和衛星等高精尖領域。增材制造的零件已經批量應用于7個飛機型號、4個無人機型號、7個航空發動機型號、2個火箭型號、3個衛星型號、 5個導彈型號、2個燃機型號、以及1個空間站型號。鉑力特的客戶則是中國航空工業集團有限公司、中國航空發動機集團有限公司、中國航天科工集團有限公司等在中國航空航天領域擁有壟斷地位的超級巨頭。

3.3 走出國門

鉑力特先進的技術還獲得了國外企業地高度關注，2018年，鉑力特通過了空客公司IPCA認證，啟動了空客A330增材制造項目，成為空客亞洲區唯一的金屬增材制造合格供應商。同年8月，空客又與西工大和鉑力特分別簽署聯合科研合作協議，三方進入聯合研發時代。西北工業大學和空中客車公司宣布下一步將建立“西北工業大學—空中客車公司增材制造聯合實驗室”。空中客車公司與西北工業大學合作的“飛機高性能功能梯度材料激光增材制造技術研發”科研合作項目，將采用西北工業大學所發展的激光立體成形技術，開展飛機用高性能鈦基功能梯度材料及其制造技術研發，以期提升大型民用飛機構件在極端熱、力載荷條件的力學性能及服役壽命，并為此類結構件創新構型、輕量化結構的設計制造奠定基礎。空中客車公司與鉑力特合作的“四激光器打印飛機產品研發”科研合作項目，將測試使用鉑力特自主研發的大尺寸激光選區熔覆設備BLT-S500打印飛機結構件的能力，旨在為大尺寸飛機結構件的輕量化設計和快速成形提供技術方案支持。空中客車公司與西北工業大學、鉑力特公司的合作，對增材制造技術在航空設計及制造史上具有里程碑式的意義，圍繞增材制造技術及航空新材料的“跨國產、學、研一體化”，將共同推動增材制造技術、航空新材料在航空制造方面的應用，推動航空新技術、材料的全球化發展與共贏。

4.結語

作為一種戰略革命性技術，3D打印將會給制造帶來翻天覆地的變化，是新一輪技術革命的巨大引擎。幾年來3D打印的相關成果不斷登上Nature和Science這樣權威的國際頂刊，這間接反映了3D打印在基礎研究方面不斷取得重大突破，國際間的競爭也越演越烈。在航空航天等高端領域中，3D打印技術的應用也越來越普遍，產業化也越來越普遍。產業化的不斷升級和基礎研究脫不開關系，所以加大3D打印的基礎應用研究非常有意義，也刻不容緩。以鉑力特為代表的增材制造企業不僅是西工大的驕傲，更是中國的驕傲，筆者這里也衷心祝福鉑力特公司能越來越好，為祖國的航空航天事業做出更大貢獻，助力?“中國2025”。

參考文獻：

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