第3章　金属3D打印的基础科学问题

3.1　基础科学问题概述

3D打印是通过激光、电子束、电弧、等离子等能量源，对金属粉末、丝材进行逐点、逐线扫描，将粉末或丝材进行熔化后，逐线搭接、逐层凝固堆积，实现三维复杂零件的“近净成形”［1～4］。近年来，随着装备的快速发展，3D打印技术得到迅速发展，但总的来说，目前的焦点更多关注的是高端设备，而对于增材技术本身涉及的基础科学问题的研究与技术本身存在脱节，要实现3D打印技术的全面发展，需要全面系统地研究和掌握这些基础科学问题。根据3D打印技术目前的发展，其核心基础问题主要体现在以下几个方面：

①3D打印是粉末、丝材等原材料在激光等能量源的极短的快速交互作用下产生的冶金行为，极速加热过程中的冶金行为与能源特性、原材料特性、加热环境等多因素之间存在交互作用，识别和探究原材料与能量源之间的作用机制，进而通过对改善原材料物理特性，选择匹配性较好的能量源，提高原材料对能量源的高效吸收，建立适合的3D打印方法，是加快3D打印技术发展的科学问题。

②3D打印过程是原材料在极速加热/冷却过程的非平衡物理冶金和热物理过程，粉体-液相-固相转变过程中超高温度梯度，冶金机理与传统冶金行为既相通，又有其独特性，制造过程中多尺度、多因素、多形式热物理间耦合交互作用是影响3D打印最终性能的关键［5～10］。3D打印过程中移动微区熔池超常冶金机理及晶粒生长行为是非平衡物理冶金的重要体现，但介观尺度熔池演变过程很难通过实验方法进行实时监测，因此冶金行为的研究，将主要依赖于有限元仿真进行模拟，温度函数物理性质非线性变化及模型建立，熔池中复杂多变热毛细对流形式；复杂约束反复循环加热条件下材料层间冶金行为及内部质量演化是3D打印过程“材料物理冶金”和“材料热物理”等的重要研究内容，是切实解决“热应力控制和变形开裂预防”及构件“内部质量和力学性能控制”等长期制约高性能金属构件3D打印发展和应用“瓶颈难题”的基础。

③3D打印沉积态组织是逐层烧结凝固、非平衡冶金、重复加热及制造方式等多因素作用下的产物，3D打印方法决定了固态相组织的分布不均匀和微观组织分布不均匀，粗大柱状晶及晶内超细晶结构［5～10］，这些组织特征是决定制造后性能的关键。因此，建立3D打印沉积态固态相变行为及组织形成机理、层与层间的界面形成机理、内应力形成与消除机理是沉积态合金最终态组织调控方法的关键基础，也是构件3D打印宏/微观后处理控形、控性调控技术的关键。

④3D打印冶金缺陷和应力控制是结构件最终服役性能的关键，3D打印冶金缺陷的形成过程，是原材料极速熔化后的流动性、黏性等物理特性，微区熔池流动特性、润湿性以及凝固过程流体物理特性，冷却条件，二次重熔等多重因素耦合作用的结果［11～15］。研究和揭示缺陷的种类以及形成机理是控制3D打印后的缺陷并最终实现结构件性能控制的关键。目前，针对3D打印后的缺陷检测方法及检测标准无法真实反映极端冶金状态下的缺陷种类及形式，更无法获得其缺陷形成机制，通过有限元仿真，发展高精度检测技术和实现在线和离线全方位检测，并建立系统的标准，是实现3D打印全面发展和应用的关键问题。

⑤3D打印是实现复杂结构件，制造难度大、制造成本高等结构件快速精准制造的变革性技术，该技术的实现在冶金机理、微观组织、结构形式、缺陷形式等方面与传统的制造有着很大的差异，因此传统的标准及其评价方法已经无法适应新的产品的需求。依据3D打印技术的特征，探索综合性能评价方法，拓扑结构形式下的评价标准及评价方法是实现该技术工程化应用的关键核心问题。