第3章　金屬3D打印的基礎(chǔ)科學(xué)問題

3.1　基礎(chǔ)科學(xué)問題概述

3D打印是通過激光、電子束、電弧、等離子等能量源，對(duì)金屬粉末、絲材進(jìn)行逐點(diǎn)、逐線掃描，將粉末或絲材進(jìn)行熔化后，逐線搭接、逐層凝固堆積，實(shí)現(xiàn)三維復(fù)雜零件的“近凈成形”［1～4］。近年來，隨著裝備的快速發(fā)展，3D打印技術(shù)得到迅速發(fā)展，但總的來說，目前的焦點(diǎn)更多關(guān)注的是高端設(shè)備，而對(duì)于增材技術(shù)本身涉及的基礎(chǔ)科學(xué)問題的研究與技術(shù)本身存在脫節(jié)，要實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)的全面發(fā)展，需要全面系統(tǒng)地研究和掌握這些基礎(chǔ)科學(xué)問題。根據(jù)3D打印技術(shù)目前的發(fā)展，其核心基礎(chǔ)問題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

①3D打印是粉末、絲材等原材料在激光等能量源的極短的快速交互作用下產(chǎn)生的冶金行為，極速加熱過程中的冶金行為與能源特性、原材料特性、加熱環(huán)境等多因素之間存在交互作用，識(shí)別和探究原材料與能量源之間的作用機(jī)制，進(jìn)而通過對(duì)改善原材料物理特性，選擇匹配性較好的能量源，提高原材料對(duì)能量源的高效吸收，建立適合的3D打印方法，是加快3D打印技術(shù)發(fā)展的科學(xué)問題。

②3D打印過程是原材料在極速加熱/冷卻過程的非平衡物理冶金和熱物理過程，粉體-液相-固相轉(zhuǎn)變過程中超高溫度梯度，冶金機(jī)理與傳統(tǒng)冶金行為既相通，又有其獨(dú)特性，制造過程中多尺度、多因素、多形式熱物理間耦合交互作用是影響3D打印最終性能的關(guān)鍵［5～10］。3D打印過程中移動(dòng)微區(qū)熔池超常冶金機(jī)理及晶粒生長(zhǎng)行為是非平衡物理冶金的重要體現(xiàn)，但介觀尺度熔池演變過程很難通過實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此冶金行為的研究，將主要依賴于有限元仿真進(jìn)行模擬，溫度函數(shù)物理性質(zhì)非線性變化及模型建立，熔池中復(fù)雜多變熱毛細(xì)對(duì)流形式；復(fù)雜約束反復(fù)循環(huán)加熱條件下材料層間冶金行為及內(nèi)部質(zhì)量演化是3D打印過程“材料物理冶金”和“材料熱物理”等的重要研究?jī)?nèi)容，是切實(shí)解決“熱應(yīng)力控制和變形開裂預(yù)防”及構(gòu)件“內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制”等長(zhǎng)期制約高性能金屬構(gòu)件3D打印發(fā)展和應(yīng)用“瓶頸難題”的基礎(chǔ)。

③3D打印沉積態(tài)組織是逐層燒結(jié)凝固、非平衡冶金、重復(fù)加熱及制造方式等多因素作用下的產(chǎn)物，3D打印方法決定了固態(tài)相組織的分布不均勻和微觀組織分布不均勻，粗大柱狀晶及晶內(nèi)超細(xì)晶結(jié)構(gòu)［5～10］，這些組織特征是決定制造后性能的關(guān)鍵。因此，建立3D打印沉積態(tài)固態(tài)相變行為及組織形成機(jī)理、層與層間的界面形成機(jī)理、內(nèi)應(yīng)力形成與消除機(jī)理是沉積態(tài)合金最終態(tài)組織調(diào)控方法的關(guān)鍵基礎(chǔ)，也是構(gòu)件3D打印宏/微觀后處理控形、控性調(diào)控技術(shù)的關(guān)鍵。

④3D打印冶金缺陷和應(yīng)力控制是結(jié)構(gòu)件最終服役性能的關(guān)鍵，3D打印冶金缺陷的形成過程，是原材料極速熔化后的流動(dòng)性、黏性等物理特性，微區(qū)熔池流動(dòng)特性、潤(rùn)濕性以及凝固過程流體物理特性，冷卻條件，二次重熔等多重因素耦合作用的結(jié)果［11～15］。研究和揭示缺陷的種類以及形成機(jī)理是控制3D打印后的缺陷并最終實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件性能控制的關(guān)鍵。目前，針對(duì)3D打印后的缺陷檢測(cè)方法及檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)無法真實(shí)反映極端冶金狀態(tài)下的缺陷種類及形式，更無法獲得其缺陷形成機(jī)制，通過有限元仿真，發(fā)展高精度檢測(cè)技術(shù)和實(shí)現(xiàn)在線和離線全方位檢測(cè)，并建立系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，是實(shí)現(xiàn)3D打印全面發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題。

⑤3D打印是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，制造難度大、制造成本高等結(jié)構(gòu)件快速精準(zhǔn)制造的變革性技術(shù)，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在冶金機(jī)理、微觀組織、結(jié)構(gòu)形式、缺陷形式等方面與傳統(tǒng)的制造有著很大的差異，因此傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)及其評(píng)價(jià)方法已經(jīng)無法適應(yīng)新的產(chǎn)品的需求。依據(jù)3D打印技術(shù)的特征，探索綜合性能評(píng)價(jià)方法，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式下的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方法是實(shí)現(xiàn)該技術(shù)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵核心問題。