第3章　金屬3D打印的基礎科學問題

3.1　基礎科學問題概述

3D打印是通過激光、電子束、電弧、等離子等能量源，對金屬粉末、絲材進行逐點、逐線掃描，將粉末或絲材進行熔化后，逐線搭接、逐層凝固堆積，實現三維復雜零件的“近凈成形”［1～4］。近年來，隨著裝備的快速發展，3D打印技術得到迅速發展，但總的來說，目前的焦點更多關注的是高端設備，而對于增材技術本身涉及的基礎科學問題的研究與技術本身存在脫節，要實現3D打印技術的全面發展，需要全面系統地研究和掌握這些基礎科學問題。根據3D打印技術目前的發展，其核心基礎問題主要體現在以下幾個方面：

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、加熱環境等多因素之間存在交互作用，識別和探究原材料與能量源之間的作用機制，進而通過對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打印技術發展的科學問題。

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-固相轉變過程中超高溫度梯度，冶金機理與傳統冶金行為既相通，又有其獨特性，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打印最終性能的關鍵［5～10］。3D打印過程中移動微區熔池超常冶金機理及晶粒生長行為是非平衡物理冶金的重要體現，但介觀尺度熔池演變過程很難通過實驗方法進行實時監測，因此冶金行為的研究，將主要依賴于有限元仿真進行模擬，溫度函數物理性質非線性變化及模型建立，熔池中復雜多變熱毛細對流形式；復雜約束反復循環加熱條件下材料層間冶金行為及內部質量演化是3D打印過程“材料物理冶金”和“材料熱物理”等的重要研究內容，是切實解決“熱應力控制和變形開裂預防”及構件“內部質量和力學性能控制”等長期制約高性能金屬構件3D打印發展和應用“瓶頸難題”的基礎。

③3D打印沉積態組織是逐層燒結凝固、非平衡冶金、重復加熱及制造方式等多因素作用下的產物，3D打印方法決定了固態相組織的分布不均勻和微觀組織分布不均勻，粗大柱狀晶及晶內超細晶結構［5～10］，這些組織特征是決定制造后性能的關鍵。因此，建立3D打印沉積態固態相變行為及組織形成機理、層與層間的界面形成機理、內應力形成與消除機理是沉積態合金最終態組織調控方法的關鍵基礎，也是構件3D打印宏/微觀后處理控形、控性調控技術的關鍵。

④3D打印冶金缺陷和應力控制是結構件最終服役性能的關鍵，3D打印冶金缺陷的形成過程，是原材料極速熔化后的流動性、黏性等物理特性，微區熔池流動特性、潤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果［11～15］。研究和揭示缺陷的種類以及形成機理是控制3D打印后的缺陷并最終實現結構件性能控制的關鍵。目前，針對3D打印后的缺陷檢測方法及檢測標準無法真實反映極端冶金狀態下的缺陷種類及形式，更無法獲得其缺陷形成機制，通過有限元仿真，發展高精度檢測技術和實現在線和離線全方位檢測，并建立系統的標準，是實現3D打印全面發展和應用的關鍵問題。

⑤3D打印是實現復雜結構件，制造難度大、制造成本高等結構件快速精準制造的變革性技術，該技術的實現在冶金機理、微觀組織、結構形式、缺陷形式等方面與傳統的制造有著很大的差異，因此傳統的標準及其評價方法已經無法適應新的產品的需求。依據3D打印技術的特征，探索綜合性能評價方法，拓撲結構形式下的評價標準及評價方法是實現該技術工程化應用的關鍵核心問題。