中國首創：鈦合金3D列印同步鍛造，不再是花瓶廢物

圖：官媒報道配圖

根據新聞報道，華中科技大學機械學院教授張海鷗主導開發的新型技術，在激光3D列印中加入了鍛打技術。

這意味著制約激光3D列印產品實用性能的最大瓶頸已經被突破，未來在航空航天器等產品上，激光列印件將真正承擔起承力的重任；而不是像現在一樣，只能做出一個大體積的樣品以供宣傳展示，或者用在一些不甚重要的地方。

看到這則新聞，筆者非常激動，因為熟悉粉末冶金基本原理的人，都能看出激光3D列印基本原理的局限性，也都認為必須結合對應的強化措施才能使3D列印的成品真正具備在航空航天器上使用的性能，而國內這次的技術突破速度，大大出乎了筆者幾年前的心理預期。

針對這一則新聞，可以提出兩個問題：原來的激光3D列印究竟有什麼缺陷？鍛打到底有什麼不可取代的優勢？

激光3D列印的原理，就是先噴一點金屬粉末——比如鈦合金粉末，然後用高功率的激光等手段，把這些粉末融化成一體；然後繼續噴射粉末，重複之前過程；最後一點一點把整個結構件從無到有、從小到大、從部分到整體，給慢慢做全、做完整。這種手段的優勢是它能夠加工出各種傳統工藝做不了的形狀的產品，以及在需要產品數量很少——比如就一兩個的情況下，由於免去模具開發製造的費用，成本優勢極大。

圖：一種鈦合金列印的產品，造型極其複雜，從外觀上也能看出材質的疏鬆特性，優缺點都同時展現的非常明顯

但基本的激光3D列印缺點也很明顯：首先它是一點點用粉末堆積融化鑄造出來的，質地疏鬆、中間夾雜大量微小氣泡和未融化粉末的情況不可避免。其次它是用激光一點點融化，因此局部的溫度升高非常快——極短時間內就會從常溫升高到鈦合金熔點以上；然後又迅速從高溫降低到接近常溫。

而這種急劇的驟冷驟熱，會引發金屬內部組織的位移、撕裂，形成大量的缺陷和應力——通俗的說，這玩意造出來就一身的內傷。正是由於這些原理缺陷，使得激光3D列印件的實際強度不高，而且特別不能耐受反覆的疲勞變形；在實際應用中，長期不能取代高性能的鍛件應用在關鍵部位上。

圖：黑鳥的鈦合金機身框架毛坯，就是在高溫、高機械壓力下，像麵糰一樣在模具中壓制出大致形狀的

而傳統的鍛件之所以強度等性能特別好，就是因為它會對結構材料施加巨大的壓力（而且常常是在高溫、材料軟化的情況下）；像拍打揉麵糰一樣，把金屬內部的疏鬆組織、氣泡、縫隙等缺陷全部消除掉。而此次華中科技大學率先成功突破3D列印和鍛打的結合技術，恰好能極大的克服3D列印在原理上帶來的諸多缺陷。

圖：F15的鈦合金框鍛造毛坯和半成品

相關的官方報道中提及，「我國研製的新型戰鬥機上，一種新型複雜鈦合金接頭已經使用了該技術。由於部件複雜，採用傳統方法無法整體製造，只能降低設計標準，將零件拆分成多個部位製造後再連接，使該戰機先進性能受到影響，使用壽命變短。目前，張海鷗團隊的鑄鍛銑一體化整體3D列印技術與裝備，已開始與該團隊合作研發攻關。」

這種多件鍛造、分件拼焊製造戰鬥機鈦合金機身大框等大件和複雜件的工藝；在國內是伴隨著蘇27家族的技術引進而突破的，是俄國蘇27家族中前期型號、國內殲11系飛機（包括殲15、16）設計時的標配工藝，談不上降低設計標準的問題。而國內真正全新設計結構、又有這麼高鈦合金工藝要求的戰鬥機型號，實際上就只有殲20一個可能了。

如果華中科技大學此次的技術突破順利、成果能夠良好在殲20的核心結構上使用，那麼中國將真正在3D列印領域、乃至於人類的整個機械製造業都帶來顛覆性的創新。很多傳統上根本製造不了的複雜、超大型高性能結構件，都將能以較低的成本大量快速生產，這將極大的提升中國在高端裝備（不論軍民用）上的國際競爭力。

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