本刊記者 李 丹

：您認為金屬3D打印技術發(fā)展和應用的主要瓶頸是什么？

張德良：金屬3D打印技術的研發(fā)和廣泛應用為我國制造業(yè)快速升級轉(zhuǎn)型，達到國際一流水平，提供了一個難得的機會。我國信息技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展，為金屬3D打印技術的快速發(fā)展和廣泛應用提供了很好的支持。金屬3D打印技術發(fā)展和應用的主要瓶頸是可靠性有待證實、效率低和成本高。

（1）可靠性。金屬3D打印的零部件是通過大量微小熔池的凝固和融合堆積而成的，人們對用此工藝制造的金屬材料性能的可重復性和可靠性沒有很深的認識，從而缺乏信心。這需要科研工作者和工業(yè)界進行大量的重復制造和應用試驗，并進行系統(tǒng)概率統(tǒng)計分析，分析出可能影響材料性能的主要因素和出現(xiàn)缺陷的概率，以此定義材料性能的保險值和必要的檢測手段及程序，并通過建立國家標準使其法律化。這樣3D打印零部件才有望大批量使用。

（2）效率低。成形能力非常強的激光（或電子束）選區(qū)熔化金屬3D打印工藝非常慢，需要幾十小時才能打印出一個幾千克重的零部件。雖然可以通過使用多個激光束（電子束）或多個機器提高生產(chǎn)速率，但仍不能滿足量產(chǎn)的需求。需要開發(fā)一種新型復合成形技術，既能充分利用金屬3D打印的超強成形能力，又能利用其他金屬加工工藝的快速成材能力，大幅度提高金屬3D打印復雜形狀零部件制造速度。

（3）成本高。金屬3D打印零件的成本太高，一個1kg的Ti-6Al-4V合金零部件制造成本達到0.5～1萬元人民幣。這么高的成本沒有多少應用能承受得了，勢必造成金屬3D打印零部件有價無市，整個市場相比其他金屬工藝制造的零部件數(shù)量和質(zhì)量總量非常微小。以TC4鈦合金為例，如果把適合于激光選區(qū)熔化的鈦合金超細粉末（球形顆粒尺寸為15～53μm）的成本減到500元/kg以下，金屬3D打印制造成本減到500元/kg以下，再使用復合成形技術，同時零部件的性能和可靠性達到航空鑄件的水平，很有可能大幅度擴大鈦合金3D打印零部件的應用。

：團隊研發(fā)的納米結(jié)構(gòu)或超細結(jié)構(gòu)金屬基納米復合材料及制備技術有望被工業(yè)界采用，請簡要介紹一下這個項目，以及在技術和產(chǎn)品性能上有哪些優(yōu)勢？

張德良：我們團隊通過加工金屬粉末和納米陶瓷粉末混合體制備納米結(jié)構(gòu)金屬基納米復合材料粉末，再通過熱機械固結(jié)該粉末制備納米結(jié)構(gòu)或超細結(jié)構(gòu)金屬基納米復合材料型材（主要是棒材）樣品，研究棒材的顯微組織和力學性能。應用這種新型粉末冶金工藝，已經(jīng)成功制備具有高拉伸強度（達到600MPa）、拉伸塑性好、高導電率（達到80% IACS，國際時效銅導電率標準）的超細結(jié)構(gòu)銅基納米氧化鋁彌散強化納米復合材料。通過該新型粉末冶金工藝路徑，采用低成本6063和其他鋁合金車削屑以及納米SiC粉末，制備出超細結(jié)構(gòu)鋁合金基SiC納米顆粒強化納米復合材料棒材，拉伸強度達到500MPa以上（是對應粗晶鋁合金強度的2.5倍以上），具有良好的拉伸塑性。通過提高粉末加工效率和使用回收金屬車削屑，可以大幅度降低這類先進材料的制造成本，使其性價比明顯高于對應的粗晶合金材料。現(xiàn)在團隊一方面和工業(yè)界企業(yè)合作推進這類新材料制造技術的產(chǎn)業(yè)化和新材料的應用，一方面繼續(xù)深入研究該類材料的制備工藝條件-顯微組織-性能的關系，加強材料科學基礎研究。

：在降低鈦合金粉末冶金制造成本、提高鈦合金構(gòu)件性能方面，您取得哪些研究進展？

張德良：我們直接采用海綿鈦或低成本鈦合金粉末為原料，通過短流程、高效率（包括材料利用率）、低能耗大幅度降低成本。通過熱機械固結(jié)粉末保證零部件和型材具有接近100%理論密度的高致密、細小結(jié)構(gòu)，從而使鈦合金零部件和型材的性能與擠壓型材的性能相媲美。通過十幾年的研究已經(jīng)確認其可行性，奠定了堅實的理論和知識基礎。已經(jīng)和工業(yè)界企業(yè)建立了合作關系，集中推進該技術的產(chǎn)業(yè)化，并預計在2017年內(nèi)實現(xiàn)目標零部件的小批量制造和應用。該技術進一步開發(fā)和推進產(chǎn)業(yè)化的難點在于應用市場開發(fā)。希望通過目標零部件的制造、應用測試、成功應用和高性能、低成本的展示鼓勵更多潛在用戶和我們團隊合作開發(fā)多種目標零部件，快速達到100 t以上年產(chǎn)量。一旦達到這個產(chǎn)量水平，中國低成本高性能鈦合金零部件和型材粉末冶金制造技術研究、開發(fā)和應用將處于國際領先地位，并為國際同行塑造令人振奮的大幅度降低鈦合金零部件和型材制造成本的典范?，F(xiàn)在全球鈦合金制品的產(chǎn)量和應用量只有十幾萬噸，希望通過大幅度降低原料成本，以及低成本高性能鈦合金零部件和型材粉末冶金制造技術的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，能夠使鈦合金制品的年產(chǎn)量和使用量增加幾倍甚至幾十倍。

：發(fā)展金屬回收料的再生研究有哪些重要意義？

張德良：金屬材料是經(jīng)過多道冶煉和加工后得到的有價值物質(zhì)，所以金屬回收料大都再利用?，F(xiàn)在主要的再利用途徑是把金屬回收料重新熔化，和新的金屬混合制備合金或其他金屬基材料。我們的研究和技術開發(fā)主要聚焦于金屬回收料，尤其是金屬碎屑回收料的固態(tài)再生，即不經(jīng)過熔化使其變成金屬或金屬基復合材料零部件和型材。這個技術的重要意義在于充分利用金屬回收料的優(yōu)良固態(tài)材質(zhì)，同時因避免重熔而大幅度降低能耗。重熔金屬回收料會摧毀回收料經(jīng)過多次加工獲得的優(yōu)秀冶金品質(zhì)。對于非常細小的金屬碎屑回收料，在空氣下重熔還會造成大量的材料氧化損失，所生成的氧化物還會增加再生材料內(nèi)的雜質(zhì)含量。我們通過研究開發(fā)出直接固結(jié)金屬碎屑回收料或固結(jié)以金屬碎屑回收料為原料制備出的金屬粉末的粉末冶金工藝，獲得的零部件和型材樣品的顯微組織和性能可與對應的原生金屬的顯微組織和性能相媲美。中國制造業(yè)產(chǎn)生大量的金屬碎屑回收料，估計每年達到1000萬t以上。把這些金屬碎屑回收料通過固態(tài)再生制成金屬零部件或型材，將節(jié)省幾百億元的能耗，并減少對環(huán)境的沖擊。同時這些材料也可以成為制造高性能先進金屬材料的低成本原料。由此可見，進行金屬碎屑回收料固態(tài)再生技術的研究、開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化具有重大經(jīng)濟和社會意義。在這方面，我們團隊進行了一系列研究，開發(fā)出幾項專利技術，正在與工業(yè)界企業(yè)合作推進技術的產(chǎn)業(yè)化。