3D打印技術(shù)的應(yīng)用及研究主要集中在航空航天、電子、醫(yī)療等精密零件的加工和修復(fù)領(lǐng)域，而在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領(lǐng)域上的應(yīng)用還很少。大型鑄鍛件產(chǎn)品，如火電主軸、核電封頭、水輪機葉片等的重量動輒幾十上百噸，而以目前的金屬3D打印技術(shù)平均1kg/h的加工速度以及每公斤上千元的材料成本計算，采用大型鑄鍛件整體3D打印技術(shù)完成大型鑄鍛件的制造無法實現(xiàn)。但是，這并不是說3D打印技術(shù)不能在大型鑄鍛件領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

只要應(yīng)用得當(dāng)，3D打印技術(shù)也可以像鑄造、鍛造以及焊接一樣，成為大型鑄鍛件制造中不可缺少的重要生產(chǎn)工藝，并且在大型鑄鍛件行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、降本增效、質(zhì)量提升過程中發(fā)揮重要作用。本文通過參考當(dāng)前金屬及非金屬3D打印技術(shù)在其他領(lǐng)域取得的研究成果，對未來3D打印技術(shù)在以鐵基金屬為主的大型鑄鍛件領(lǐng)域的應(yīng)用方向進行了分析，從而為大型鑄鍛件行業(yè)的發(fā)展提供借鑒。

1.金屬材料3D打印技術(shù)

3D打印鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件等大型零件的金屬材料的性能可以達到或接近鍛件水平。3D打印技術(shù)修復(fù)渦扇發(fā)動機葉片技術(shù)實現(xiàn)了3D打印與零件基體結(jié)合區(qū)域的性能達到了零件的要求。與傳統(tǒng)的焊接相比，金屬3D打印修復(fù)具有以下特點：

(1)熱影響區(qū)小，不影響基體組織應(yīng)力分布;

(2)無需加熱及后續(xù)熱處理;

(3)3D打印組織與基體冶金結(jié)合致密，性能接近零件原組織;

(4)3D打印區(qū)域組織性能達到鍛件水平;

(5)自動化控制，加工余量少。

1.1 大型鍛件局部3D打印成形

以AP1000核電主管道為例，設(shè)計要求采用超低碳控氮不銹鋼整體鍛造，鍛件生產(chǎn)的主要難點是兩個管嘴的成形，鍛件材料利用率在15%以下。受3D打印技術(shù)修復(fù)渦扇發(fā)動機葉片的啟發(fā)，核電主管道的成形可以簡化為鍛造或擠壓不銹鋼管+3D打印管嘴成形，該方法能夠極大的降低核電主管道的生產(chǎn)難度及成本。

類似核電主管道及多管嘴封頭等具有局部難成形特征的大型鍛件都可以采用鍛件主體+3D打印局部的方式成形，該方法將在保證鍛件整體質(zhì)量的情況下大大降低鍛件的生產(chǎn)難度、成本和周期。另外，還可將大型鍛件局部3D打印成形的思路拓展到大型零件3D打印拼焊技術(shù)。如果3D打印區(qū)域以及3D打印區(qū)域與基體結(jié)合區(qū)域的金屬材料性能都能達到鍛件要求，這就預(yù)示著未來完全可以采用3D打印拼焊鍛件代替整體大鍛件。

1.2 大型鍛件缺陷修復(fù)

大型鍛件表面及內(nèi)部的超標(biāo)缺陷、由于缺料造成的鍛件加工余量不足等質(zhì)量問題，都可能導(dǎo)致鍛件的整體報廢，造成巨大的經(jīng)濟損失和能源浪費。由于焊接組織的性能低于鍛件組織，因此鍛件一般不容許補焊，而金屬3D打印技術(shù)的出現(xiàn)卻能改變這一現(xiàn)狀。目前，金屬3D打印的某些材料性能已經(jīng)能夠達到鍛件水平，如果3D打印組織與鍛件基體的結(jié)合能達到鍛件要求，就可以采用3D打印技術(shù)局部修補大型鍛件的缺陷區(qū)域，從而提高鍛件合格率。未來，隨著3D打印技術(shù)的提高，類似大型鑄件容許補焊一樣，大型鍛件也容許3D打印修復(fù)，這對于大型鍛件生產(chǎn)工藝將是革命性的突破。

1.3 大型零件在線修復(fù)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機葉片、船用曲軸等大型鍛件在使用過程中會出現(xiàn)局部裂紋、磨損及變形等失效問題，傳統(tǒng)的補焊方法需要通過機加工→預(yù)熱→焊接→機加工→熱處理等流程才能修復(fù)。修復(fù)工作需要在大型專業(yè)設(shè)備上進行，但是修復(fù)區(qū)域性能低于零件原組織，增加了維修成本、維修周期，維修效果也不理想。而采用機器人與3D打印技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成的便攜式可移動金屬3D打印設(shè)備能改變這一現(xiàn)狀，實現(xiàn)大型零件的現(xiàn)場修復(fù)，甚至在線修復(fù)。機器人金屬3D打印技術(shù)修復(fù)大型零件的具體操作步驟是：

(1)確定修復(fù)方案，對修復(fù)區(qū)域進行預(yù)處理;

(2)采用三維成像技術(shù)對修復(fù)區(qū)域進行三維反求建模;

(3)將修復(fù)區(qū)域三維模型轉(zhuǎn)化為機械手移動路徑;

(4)確定3D打印參數(shù)，機械手定位，進行修復(fù);

(5)修復(fù)區(qū)域表面處理及檢測。

1.4 大型零件表面處理

金屬3D打印技術(shù)的一個重要發(fā)展方向就是多材料以及漸變材料的3D打印成形，該領(lǐng)域的研究成果可以在大型零件，特別是在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或功能復(fù)雜零件的表面處理上得到應(yīng)用。相比于電鍍、熱噴涂以及化學(xué)氣相沉積等傳統(tǒng)的金屬表面處理方式，金屬3D打印技術(shù)被看作是激光涂覆工藝的延伸，具有結(jié)合層牢固、涂層厚度大且可控、數(shù)字化控制、材料范圍廣等優(yōu)勢，特別是在大型零件的局部改性和強化方面優(yōu)勢明顯。

1.5 金屬材料3D打印技術(shù)的研究重點

根據(jù)目前金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展情況，以上研究方向在技術(shù)上都有很大的可行性，而且許多技術(shù)已在小型零件上得到應(yīng)用。為了使金屬3D打印技術(shù)在大型鑄鍛件領(lǐng)域早日得到應(yīng)用，當(dāng)前應(yīng)在以下幾個方面進行重點研究：

(1)材料方面。相對于鈦合金及高溫合金，大型鑄鍛件使用的鐵基合金較為簡單，關(guān)鍵是材料成本的控制。

(2)設(shè)備方面。目前3D打印設(shè)備的工作臺面尺寸及承重有限，無法滿足大型鑄鍛件局部加工要求，未來需要開發(fā)更加靈活便捷的加工設(shè)備。

(3)系統(tǒng)方面。3D打印制造及修復(fù)需要三維反求、建模、二維路徑轉(zhuǎn)化等操作，而大型鑄鍛件多為單件小批量生產(chǎn)，缺陷出現(xiàn)隨機性大，因此未來需要對相應(yīng)軟件及操作進行集成，從而提高生產(chǎn)效率。

(4)工藝方面。不斷優(yōu)化金屬3D打印工藝參數(shù)，使其更好適應(yīng)大型鑄鍛件的特殊要求，預(yù)防開裂、變形以及脫落等缺陷的產(chǎn)生。

(5)性能方面。為了使3D打印技術(shù)在核電、火電以及大型壓力容器等大型零件上得到持久應(yīng)用，類似持久蠕變、低周疲勞等材料基礎(chǔ)實驗數(shù)據(jù)需要長期積累。

(6)標(biāo)準(zhǔn)問題。不同于小型零件，安全生產(chǎn)是大型鑄鍛件修復(fù)及制造的重點，而各種生產(chǎn)和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的缺失是3D打印技術(shù)在該領(lǐng)域發(fā)展的重要瓶頸，標(biāo)準(zhǔn)的制定也需要較長的時間。

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