各国白热化竞争的战略性革命技术，其发文情况和我国的产业化如何？
1. 3D打印技术简要介绍
3D打印即快速成型技术的一种，又称增材制造，是一种采用高能束为热源，通过材料逐层堆积，实现构件无模成形的数字化制造技术。金属零件 3D 打印技术原理是将金属粉末或丝材，在激光或电子束等加热条件下，按软件设定的路径同步熔化、堆积，最终成形出设计的零件实体。不同种类的金属 3D 打印技术主要是通过热源种类、原材料状态以及成形方式加以区分。金属 3D打印的热源主有激光、电子束和电弧，原材料状态主要为粉末和丝材，成形方式主要包括铺料、送料条件下的烧结成形及熔化成形。
采用 3D 打印技术制备金属零件，与传统制造技术相比，具有以下突出优势：
1、无需大尺寸模具加工和毛坯制备无需大型或超大型工业装备。
2、实现无模具近终成形，极大地节省材料，制造成本低、周期短。
3、适用材料广泛，可以制备采用传统方法难以加工的金属材料。
4、能够在制造过程中根据零件的实际使用需要设计不同部位的成分和组织，提高零件的综合性能，扩大应用范围。
5、具有对构件设计的高度柔性与快速反应能力，降低新产品开发风险。
3D打印技术出现在20世纪90年代中期，风靡于21世纪，特别是在2010年后，一系列由3D打印技术生产的产品开始为人们所熟知。3D打印之所以能够如此受欢迎，就是它将以往所有的机械加工通过逐渐去除材料来成形实体产品的“减材制造”，变成通过逐渐添加材料的方式来形成实体产品的“增材制造”思路，而这一改变对人类制造来说无疑是一场巨大的革命。到目前为止，3D打印已经在高端产业发挥着重要作用，例如：2014年10月11日，英国一团队用3D打印技术制备了一枚火箭，并准备让这个世界上第一个打印出来的火箭升空。团队队长海恩斯说，有了3D打印技术，要制造出高度复杂的形状并不困难。在计算机辅助设计的软件上做出修改后，打印机将会做出相对的调整。美国国家航空航天局2015年4月21日报道，NASA工程人员正通过利用增材制造技术制造首个全尺寸铜合金火箭发动机零件以节约成本，NASA空间技术任务部负责人表示，这是航空航天领域3D打印技术应用的新里程碑。2020年5月5日，中国首飞成功的长征五号B运载火箭上，搭载着“3D打印机”。这是中国首次太空3D打印实验，也是国际上第一次在太空中开展连续纤维增强复合材料的3D打印实验。随着对这门技术研究的日趋深入，3D打印将逐渐发挥出更大的光芒，这将是极大地改变人类制造业的生产方式并引发一场重要的变革。许多传统制造业将面临极大淘汰，人类工业文明也将上升到一个新台阶。正是该技术的重要性，几乎所有国家都在投入大量人力、物力、财力来研究该技术，并力争占据该技术制高点。
2. 顶刊发文情况（以Nature、Science及其子刊为代表）
在Web of Science上，笔者搜到的关于增材制造的文献数量为95105篇，其涉及的方向如下图，可以看出，主要研究方向在工程应用、化学和材料科学三大领域。每年的发文情况如图2所示，可以看出，文章数量逐年递增，说明该研究方向越来越火，各国的投入也不越来越大。从国家的发文数量来看，美国第一，俄罗斯第二，中国排名第三。
图1 增材制造各个方向的发文情况
图2 增材制造方向发文量逐年递增
图3 各国的发文数量对比
由于笔者研究的是金属材料，所以现将金属材料3D打印方向的突破性进展归纳如下，主要以Nature、Science及其子刊为代表，当然可能总结的不全，欢迎大家进行补充。
1）3D打印高强铝合金
基于金属的增材制造，或称三维(3D)打印，是一跨多个行业的潜在颠覆性技术，包括航空航天、生物医学和汽车行业。逐层地构建金属组件增加了设计的自由度和制造灵活性，从而实现复杂几何形状的产品制备，增加了产品定制，缩短了上市时间，同时消除了传统的规模经济约束。然而，目前只有少数合金，如AlSi10Mg, TiAl6V4, CoCr和Inconel 718等，可以可靠地打印。在人类使用的超过5500种合金中，绝大多数不能进行增材制造，因为在打印过程中的熔化和凝固动力学导致大柱状晶粒和周期性裂纹的微结构，严重降低了合金的性能。在这篇文章中，作者证明这些问题可以通过在增材制造过程中引入控制凝固的形核剂粒子来解决。首先根据结晶学信息选择形核剂，并将其应用在7075和6061系列铝合金粉末上。经形核剂掺杂化后，发现这些先前不适合增材制造的高强度铝合金可以使用选择性激光熔炼成功加工。实验得到了无裂纹，等轴(即晶粒长度、宽度和高度大致相等)的细晶微观组织，使得材料的强度可与变形材料相媲美。该文以铝合金为基础的增材制造方法适用于其他的合金，并可以使用一系列增材设备来实现。因此，它为广泛的工业应用奠定了基础，包括使用电子束熔炼或定向能量沉积技术代替选择性激光熔炼，并将使其它合金系统的增材制造成为可能，如不可焊镍高温合金和金属间化合物。此外，该技术还可用于连接、铸造和注塑等传统工艺，其中凝固开裂和热撕裂也是常见的问题（如图4）。
图4 选区激光熔化增材制造铝合金。中央示意图概述了添加剂制造工艺，利用激光或电子束融化一层金属粉末(黄色)，经过粉末凝固(红色到蓝色)，使其与之前的(底层的)金属层(灰色)融合；a、常规Al7075粉料；b、纳米形核剂掺杂化的Al7075粉末；c，包括Al7075在内的许多合金都倾向于通过枝晶柱状生长来凝固，导致凝固收缩产生裂纹；d，合适的纳米颗粒可以诱导异质形核，促进等轴晶生长，从而降低凝固应变的影响；e、如IPF图所示，当使用传统方法进行3d打印时，许多合金呈现带有大晶粒和周期性裂纹的微观结构；f、用纳米颗粒掺杂粉末原料可以产生细的等轴晶粒生长并消除热裂；g、3d打印，拓扑优化的Al6061活塞构建板；h, 3d打印Al7075 HRL标志[1]
2)马普所最新《Nature》，增材制造1.3GPa强度，10%延伸率新型钢材
激光增材制造对于利用计算机辅助设计模式从金属粉末中生产复杂的三维部件具有吸引力，这种方法可以通过使用高冷却速率和循环再加热来实现对加工参数的数字化控制，从而调控合金的微观结构。激光增材制造(LAM)的部件经历了特定的热过程。首先是从液态快速淬火，然后是内在热处理(IHT)，即由大量短的温度峰值组成的循环再加热。在定向能沉积(DED)中，零件是由激光熔化粉末由载气通过喷嘴输送。提供了局部调整微观结构的机会。通过调整了DED工艺参数，以调节制造过程中的时间温度分布，从而实现了对马氏体形成和析出的精确、局部控制，从而控制了机械行为。研究表明，这种循环再加热，即所谓的本征热处理，可以在激光添加剂制造过程中触发铁镍铝合金的镍铝沉淀。该文报告了为激光增材制造量身定做的Fe19Ni5Ti(重量百分比)钢。这种钢通过镍钛纳米沉淀法原位硬化，马氏体也在原位形成，从200℃的温度开始。在制造过程中对纳米沉淀和马氏体相变的局部控制导致了横跨多个长度尺度的复杂微观结构层次，从大约100微米厚的层到纳米级的沉淀物。受古大马士革钢有软硬层的启发，该工作生产了一种钢，软硬层交替。具有1300MPa的抗拉强度和10%的伸长率，显示出优越的机械性能。这里所采用的原位沉淀强化和局部组织控制原理可广泛应用于沉淀硬化合金和不同添加剂的制造工艺。
图5 DED-制造Fe19Ni5Ti (wt%)样品[2]
3）皇家墨尔本理工大学增材制造中心Mark Easton教授3D打印超细晶粒高强度钛合金
通过对钛合金相图的研究，发现Cu的最大固溶浓度c0-max为17%，Qmax=c0-maxm(k– 1) = 110.5 K，m是液相线的斜率，k是溶质分配系数。铜也是一个典型的共析元素，钛二元合金系统中β→α+ Ti2Cu发生在792°C。由于铜在钛中扩散迅速，即使在水淬后也很难阻止这种共析反应的发生。这些特性有利于在增材制造过程中较高的冷却速率，并可能产生非常精细的共析微观结构，从而提高合金的强度和塑性。该文作者通过单步3D打印了Ti-（6.5-8.5Cu）合金，制造出了各向等大的β钛晶粒和超细共析组织的钛合金。3D打印态钛-铜合金的晶粒细化效率来自于铜溶质在固液界面前形成足够大的结构过冷区，使溶质铜在固液界面周围析出时形成β钛枝晶。充分的过冷可以有效地抵消高热梯度的负面影响，保证在过冷区触发异质成核，实现完全的柱状-等轴过渡。高的冷却速率会限制原子的扩散，从而抑制共析耦合生长，产生马氏体，所以在Ti-8.5Cu合金的等轴组织内发现了马氏体，层间平均间距为46 nm±7 nm。；拉伸性能的测试表明，与传统铸造和后热处理工艺相比, 具有超细原始β晶粒和共析层状结构3D打印钛铜合金的力学性能拥有优越的屈服强度和延展性。该工作首创性地为长寿命材料的制造、选取和工程设计提供科学依据，对构筑高效、稳定的固态制冷技术具有重要的科学与技术意义。
图6 3D打印Ti-Cu合金的组织和力学性能[3]
4）金属所利用3D打印研发出高阻尼、高吸能与形状记忆兼得的镁基仿生材料
镁合金中，强度和阻尼能力往往是相互排斥的性质。如果能在基于镁的材料中实现形状记忆或自我恢复的概念，这将是提高耐久性的迫切需要，进一步为这些材料和结构的工程智能版本提供新的功能。为了解决这些问题，该文提出一种设计策略，其包括对镁基复合材料的相组成和结构的刻意调整，以及实现这一目标的可行的制造技术的发展。
首先，选择一种增强相来增强镁；这一强化相就是NiTi形状记忆合金。在所有金属中NiTi属于具有良好阻尼性能的材料。这种合金在高温下会由于马氏体向奥氏体转变而发生原位变形，从而恢复到原始形状，此时镁的蠕变刚刚开始。这一由于相变产生的内应力可以提供复合（复相）材料变形的驱动力。其次，作者设计了一种三维的相互渗透相的结构，各自组成相在拓扑上是双连续和相互联系的。这种结构带来的好处是：1.合金的结构完整性和连续性对于提高复合材料的强化效率和提高有效载荷转移的回收率是必要的；2. 还可以促进实现良好的阻尼能力和增强损伤容限。第三，采用两步增材制造法制造镍钛合金支架，然后将镁熔滴无压渗透到支架中，制备Mg-NiTi复合材料。
本研究证明了在Mg-NiTi互穿相复合材料中如何同时获得高强度、高阻尼能力、良好的能量吸收效率和显著的自恢复能力。该复合材料在环境温度和高温下的强度都有所提高，超过了混合物规则对其成分的估计，并表现出优异的抗损伤性能（如图7）。这些特性伴随着其在不同应变振幅下阻尼能力的协同增强和高能吸收效率，这在镁合金和镁合金复合材料中很少能实现。此外，由于镍钛合金中的马氏体-奥氏体相变与镁基体的低蠕变电阻的耦合作用，使复合材料变形后的初始形状和强度都能得到较大的恢复。具体而言，镍钛合金骨架提供了高的加工硬化能力，并为复合材料的自粘接提供了驱动力;此外，它还可以实现用于制造的渗透过程。具体而言，镍钛合金骨架提供了高的加工硬化能力，并为复合材料的自粘接提供了驱动力;此外，它还可以实现用于制造的渗透过程。它还能抵抗微观结构中各组分的损伤演化，从而提高复合材料的高能吸收效率，促进回收过程。所以，该研究获得了史无前例的综合性能的Mg合计，同时具有高强度和高阻尼性能和高的能量吸收特性。这一设计思路和得到的研究结果为镁合金的工程结构应用和生物镁合金的应用开辟了新的方向和提供了新的设计思路。
图7 Mg-NiTi室温下的机械性能和变形行为[4]
5）北航最新3D打印抗疲劳高性能材料—镍钛合金
弹热致冷是一种固态冷却技术，利用潜热释放和吸收应力诱导相变。然而，与转换有关的迟滞现象不利于有效的能量转换和功能耐久性。通过巧妙设计 “工艺-微结构-属性-性能”， 利用3D打印技术能够制造出高效热力学性能、超窄滞后的应力制冷材料（如图8）。该文作者通过3D打印技术制造了镍钛合金，利用局部熔融环境和元素粉末的近共晶混合，创造了热力学有效、低滞后的弹性热冷却材料。微观表征发现其内部形成了散布在二元合金基体中的富镍金属间化合物的纳米复合微观结构。在准线性应力-应变行为中，这种纳米复合微观结构允许极小的迟滞，从而把提高材料效率4 - 7倍，并且可重复弹性热性能超过100万循环。所以，对弹性热冷却材料实施增材制造，可以对具有长疲劳寿命的高性能金属制冷剂进行独特的微观结构控制。
图8 定向能沉积弹性热镍钛纳米复合材料的设计，(A) L-DED过程的示意图。Ni和Ti粉末的流动是单独控制的。将Ni和Ti粉末混合，然后送入激光束。诱导熔池移动形成一层一层的材料；（B）Ni-Ti相图；(C至H)分别在[(C)、(E)和(G)]顶视图和[(D)、(F)和(H)]正面视图中拍摄L-DED生产的镍钛纳米复合材料棒、管和蜂巢的照片；(I to K)已构建Ni51.5Ti48.5/Ni3Ti纳米复合材料的扫描电子显微镜(SEM)图像(I)、亮场透射电子显微镜(TEM)图像(J)和高分辨率、高角度环形暗场扫描TEM (HAADF-STEM)图像(K)；(L)快速傅里叶反变换(IFFT)图像中所圈的点FFT的图象[5]。
6）顶刊评述：金属3D打印将成高温合金制造的颠覆性技术！
高温合金是一种以镍、钴或铁为基础的金属混合物，在接近熔点的高温下工作时能抵抗高温变形、腐蚀和氧。它们最初用于涡轮喷气发动机的燃气轮机部件，现在广泛用于航空航天和发电行业的高温应用。为了实现这些高温性能，显微结构控制是至关重要的，并通过特定的合金元素添加物和精心的制造工艺的结合来实现。
传统上，铸造高温合金如果不通过机械加工进行冗长而昂贵的减法制造，就无法获得结构良好的机械性能。今天，我们仍然使用精密铸造工艺。为了生产一个喷气发动机涡轮叶片，冷却通道的蜡模型和硅基复制品都需要为生产的每个部件创建一个陶瓷模具，在真空条件下铸造出数公斤的熔融金属。冷却到环境条件是不可能抑制γ'沉淀析出。此外，需要在1300℃(刚好低于熔点温度)下进行数小时的热处理，以减少铸造过程中的偏析。最后，需要加工来形成最终复杂的涡轮叶片几何形状。部件加工过程中产生大量的废料/报废:只有大约10%的高温合金最终成为成品。使用3D打印或增材制造(AM)代替熔模铸造，可以使加工过程发生根本不同的变化，减少制造步骤和最小的加工浪费。然而，随着AM制造的中空结构的涡轮叶片越来越多的得到应用，我们所面临的挑战也不少（如图6）。例如，当激光同金属粉末接触时，所有可能发生的四个物质状态的阶段：液体、固体、气体和等离子体，均是相互作用的，几乎没有一个物理模型可以将上述复杂过程一下子就描述清楚。此外，快速和重复加热循环的本质也造成了温度梯度和化学、显微组织以及机械状态的亚稳态、触发冶金缺陷等，这些是对性能有着致命的影响。最后，大多数传统高温合金并不能直接从传统工艺移植到3D打印工艺，这是因为传统制造高温合金的工艺是为特定工艺优化的结果，如铸造、锻造、焊接等。由于AM快速和重复热循环的工艺特征，为了适应高温合金的AM制造，需要利用计算机来对成分-工艺相关的数据驱动技术来进行优化设计出新的合金成分来，以实现定制，从而符合AM制造所需要的显微组织和性能。新型的优化后用于3D打印的高温合金可用于高温合金的无裂纹和无气孔的AM制造。
图9 数字化设计3D打印金属科学和技术上的挑战[6]
3. 我国的产业化
西工大黄卫东老师说：“3D打印技术是推动人类社会实现重大变革的新技术，已经成为国际大国之间战略性竞争的一门新型技术，竞争异常激烈”。所以说3D打印技术正在引发全球范围的技术变革，各国都在力争占据该技术的制高点。搞好3D打印技术不仅可以让制造更加“随心所欲”，还可带来丰厚的经济效益。掌握该技术的制高点就意味着在军事，医疗等行业的极大进步。欧美发达国家对于该技术的研究投入不断增加。
3.1 我国3D打印的格局
我国目前已经有众多3D打印的企业，从地区上看，3D打印技术相关企业多布局在北京、上海、广东、江苏等较为发达地区（如图7），这能反映3D打印门槛较高的特点。在中国，3D打印产业有着近40%的年化增长率，年均增速21%，虽然说我国的数量以及质量与发达国家有一定差距，但是我国的进步却是最快的。2019年西工大黄卫东教授在上海交大的学术报告指出：1）.3D打印的世界格局——美国具有全球性的压倒优势，中国总体上处于世界先进水平。美国拥有绝大部分主流3D打印技术的原创专利，中国从2017年起3D打印专利数量超过全球其他国家的总和；美国和德国平分3D打印装备的世界顶尖品牌，中国初露头角；美国3D打印产业应用占世界三分之一强，中国处于世界第二，占美国的三分之一弱，但发展速度世界最快。2）.中国拥有发展3D打印技术与产业的巨大机会——巨大的产业需求，聚集全球优秀人才的绝佳机会，处于国家战略的核心。3D打印将助力大学“双一流”建设。目前为止，许多国内高校和研究院都已经研究3D打印技术并力图实现产业化，比较有影响力的高校如北京航空航天大学、西安交通大学、华中滚球体育 大学、西北工业大学等。
3.2 西工大铂力特公司
虽然全球主流的3D打印公司都分布在发达国家，但是以西工大铂力特、华曙高科为代表的国内企业的表现也开始受到瞩目。其中以西工大黄卫东教授为首席科学家，依托西工大凝固技术国家重点实验的铂力特公司，领导着国内3D打印技术最为前沿的团队，先后承担多个国家级和省部级的增材制造科研攻关项目，是目前国内产业化最好，实力最强，影响力最大的中国龙头3D打印公司，已具世界性声誉，公司也开启了滚球体育 成果转化的“西工大模式”。公司业务范围涵盖原材料、设备以及定制化产品外围是什么意思 ，从金属粉末到3D打印的应用都能占据一席之地，实现了全产业布局，其核心业务及产品的关键技术性能方面达到了国际先进水平。在应用领域，占据最大市场份额的铂力特还覆盖我国航空航天、汽车、通信等多个优势领域。该公司依托于成立于2011年，有着雄厚的科研底蕴与实力。其中S310型号设备通过了空中客车公司认证，成为空客A330机型增材制造项目主要设备；S500型号设备全球首次实现单向1500mm级大尺寸增材制造，填补国内空白；S600型号设备突破了四光束联动扫描与拼接等关键技术，实现了三向600mm大尺寸增材制造。S500、S600等大型SLM设备解决了我国大型航空航天精密复杂构件的生产制造瓶颈问题。美国专家在考察西工大3D打印的发展状况，也不禁感叹“他们做的要比我们好！”
图10 3D打印企业在国内的布局
2012年，受中国商飞委托，黄卫东教授团队研制出了第一个近3米高的C919飞机中央翼缘条，该产品在C919的设计验证阶段发挥了重要的作用，这也标志着该项技术在航空工业领域的应用取得了巨大的突破。在随后的几年里，这一技术为中国商飞、中航工业、中国航发、中国航天科工、中国航天滚球体育 等200多家单位，制造超过3万件金属零件，批量应用于一批先进的飞机、发动机、火箭和卫星等国家重大任务。铂力特已经自主研发了十余个型号的3D打印设备，其3D打印零件产品也已经应用于民用飞机、先进战机、无人机、新型导弹、空间站和卫星等高精尖领域。增材制造的零件已经批量应用于7个飞机型号、4个无人机型号、7个航空发动机型号、2个火箭型号、3个卫星型号、 5个导弹型号、2个燃机型号、以及1个空间站型号。铂力特的客户则是中国航空工业集团有限公司、中国航空发动机集团有限公司、中国航天科工集团有限公司等在中国航空航天领域拥有垄断地位的超级巨头。
3.3 走出国门
铂力特先进的技术还获得了国外企业地高度关注，2018年，铂力特通过了空客公司IPCA认证，启动了空客A330增材制造项目，成为空客亚洲区唯一的金属增材制造合格供应商。同年8月，空客又与西工大和铂力特分别签署联合科研合作协议，三方进入联合研发时代。西北工业大学和空中客车公司宣布下一步将建立“西北工业大学—空中客车公司增材制造联合实验室”。空中客车公司与西北工业大学合作的“飞机高性能功能梯度材料激光增材制造技术研发”科研合作项目，将采用西北工业大学所发展的激光立体成形技术，开展飞机用高性能钛基功能梯度材料及其制造技术研发，以期提升大型民用飞机构件在极端热、力载荷条件的力学性能及服役寿命，并为此类结构件创新构型、轻量化结构的设计制造奠定基础。空中客车公司与铂力特合作的“四激光器打印飞机产品研发”科研合作项目，将测试使用铂力特自主研发的大尺寸激光选区熔覆设备BLT-S500打印飞机结构件的能力，旨在为大尺寸飞机结构件的轻量化设计和快速成形提供技术方案支持。空中客车公司与西北工业大学、铂力特公司的合作，对增材制造技术在航空设计及制造史上具有里程碑式的意义，围绕增材制造技术及航空新材料的“跨国产、学、研一体化”，将共同推动增材制造技术、航空新材料在航空制造方面的应用，推动航空新技术、材料的全球化发展与共赢。
4.结语
作为一种战略革命性技术，3D打印将会给制造带来翻天覆地的变化，是新一轮技术革命的巨大引擎。几年来3D打印的相关成果不断登上Nature和Science这样权威的国际顶刊，这间接反映了3D打印在基础研究方面不断取得重大突破，国际间的竞争也越演越烈。在航空航天等高端领域中，3D打印技术的应用也越来越普遍，产业化也越来越普遍。产业化的不断升级和基础研究脱不开关系，所以加大3D打印的基础应用研究非常有意义，也刻不容缓。以铂力特为代表的增材制造企业不仅是西工大的骄傲，更是中国的骄傲，笔者这里也衷心祝福铂力特公司能越来越好，为祖国的航空航天事业做出更大贡献，助力 “中国2025”。
参考文献：
[1] Martin, J, Yahata, B, Hundley, J, Mayer, J, Schaedler, T, & Pollock, T. 3D printing of high-strength aluminium alloys. Nature, (2017)，549(7672), 365-369. doi: 10.1038/nature23894
[2] Philipp Kürnsteiner, Markus Benjamin Wilms, Andreas Weisheit et al. High-strength Damascus steel by additive manufacturin, 2020,doi:org/10.1038/s41586-020-2409-3.
[3] D. Zhang, D. Qiu, M.A. Gibson, Y. Zheng, H.L. Fraser, D.H. StJohn, M.A. Easton, Additive manufacturing of ultrafine-grained high-strength titanium alloys, Nature 576 (2019) 91-95.
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[5] Huilong Hou, Emrah Simsek, Tao Ma et al. Fatigue-resistant high-performance elastocaloric materials made by additive manufacturing，Science 366, 1116–1121 (2019).
[6]Chinnapat Panwisawas, Yuanbo T. Tang & Roger C. Reed et al,Metal 3D printing as a disruptive technology for superalloys,2020, Nature communication.DOI：10.1038/s41467-020-16188-7
本文由虚谷纳物供稿。
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