让火箭、军机、卫星用上金属能3D打印，他用了30余年研究
时间：2023-06-09 15:43 来源：北京日报 作者：admin 阅读：次
在诗仙李白笔下，千百年前的金属冶炼铸造，伴随着火星四溅，紫烟蒸腾。而古人可能永远无法想象，千百年后的今天，金属还能被这样“智造”——
中国工程院院士、大型金属构件增材制造国家工程实验室主任、北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院教授王华明带领团队，研发出了飞机钛合金等大型复杂构件激光增材制造技术，以合金粉末或丝材为原材料，在计算机控制下，采用激光逐层扫描，熔化并激冷凝固堆积，从而实现大型复杂金属构件的快速成形制造。
这项技术也常被人们称作“金属3D打印”。
有了它，古人笔下“烈火熊熊、浓烟滚滚”的金属冶铸场景不复存在。一台高性能计算机、一组高精度激光头、一个大型金属构件增材制造数控机械平台，就能完成飞机、发动机、燃气轮机等重大工业装备大型复杂关键承力结构的快速生产。我国舰载歼击机、运20大型运输机、长征5B大型运载火箭、祝融号火星探测器等重大装备上，都有使用3D打印技术制造的大型关键金属承力构件。
△大型金属构件增材制造国家工程实验室主任王华明
逼近“天花板”
“金属铸造很神奇，几千年前青铜器时代就有的古老技法，在现代科学技术的加持下，可能会改变国家重大装备的未来……”王华明边带着记者走向实验室，边介绍着这项他称之为“神奇”的技术。他笑着说，“我们就是一群最普通、最平常的科技工作者，常年和金属材料打交道，没有想象中特别高大上的实验室，干的也是普通事。”
跟随王华明在悬挂着“大型金属构件增材制造国家工程实验室”招牌的大楼前停下脚步，耳边隐隐传来车间厂房才有的机器轰鸣声。“最近，我们正在加班加点赶制一批飞机零件。”王华明边说边按下开门按钮，一间曾经诞生过多项国家重大发明专利的实验室映入眼帘。这是一栋有3层楼高、1000余平方米的独立楼房，墙上“报国使命 创新引领 激情敏行 卓越超越”的大字牌匾格外显眼，与其说是实验室，这里更像一间车间厂房——十余位身穿蓝色工服的工程技术人员穿梭在数台大型机器间，“当心激光”“规范操作”等安全提示语随处可见。
“这台大家伙就是大型金属构件激光3D打印机，专业叫法是‘大型金属构件激光增材制造装备’，很多金属构件就是在这里诞生的。”在一台约3米高、形似集装箱的白色机器前，王华明戴上黑色防激光眼镜，探着身子透过玻璃窗向里看：平台上，一块长方形金属材料表面亮起不断游走的小小“火花”。不到一分钟后，“火花”熄灭，原本光滑的金属材料表面竟“长”出了一个3毫米高的环形。
尽管仅有一个指尖大小，但“新生”的金属部分并非凭空而来。王华明耐心地从头讲起：“简单来说，一个3D打印出的金属构件需要经历两个‘生长’阶段：先在计算机中建立模型，再通过程序驱动激光逐层扫描熔化，从而构造成形。”他以任意一个目标零件举例：首先要绘制模型图，生成一系列平面数据。“这一步骤主要依靠计算机建模，对目标零件切片分层，有点像做千层蛋糕，每一层越薄越好，这样构造出来的金属实体精度才越高，表面也越光整。”王华明爱打比方，他说，金属制造研究既需要大量精密数据支撑，也要有丰富的空间想象力，把枯燥的数据在大脑中转化成形象的图形。
“如果说前一阶段的任务主要靠计算机跑数据，那么最具科技含量的‘重头戏’就藏在这儿。”王华明卖了个关子，先让记者戴上防激光眼镜，凑近制造平台的玻璃仔细观察：只见在金属材料上方，一组激光头向前、后、左、右不停游走着，发射的激光照射向金属表面形成微小高温熔池，即肉眼看到的明亮“火花”。“这是激光在逐层熔化金属粉末，同时将其凝固沉积形成新的形态。我们基于前期计算机生成的模型数据，形成数字化加工信息，通过数控系统，指导激光发射并熔化金属粉末，从而堆积形成新的金属构件。”他说。
△王华明与团队在实验室探讨科研
看似几句话就能解释明白的金属3D打印，王华明带领团队围绕其核心关键问题研究了30余年。
上世纪八九十年代，我国的金属激光增材制造技术尚未起步，一些世界发达国家虽已经开始探索激光3D打印金属零件，但始终未能在该领域“激起水花”。资料显示，美国曾率先开展飞机钛合金构件激光增材制造技术研究，但由于打印构件在疲劳等性能方面无法满足飞机要求，于2005年底放弃。
为什么要瞄准一个“国内零基础、国外没走通”的项目下功夫？“任何一项新技术的诞生，背后都反映出旧的技术已经无法满足人们生产生活需求了。”王华明说，这还得从传统的金属铸锻技术讲起。
钛合金等高性能大型关键金属构件制造技术，是航空航天等高端重大装备制造业的基础和核心技术。采用传统的金属铸锻技术制造，需要配套齐全的材料冶金和铸锻成形等重工业基础设施，不仅制造周期长、成本高，还受到铸锭冶金和锻造成形的原理性制约。
“光大型锻造模具的加工就可能花费数月甚至数年的时间，还要动用万吨级的水压机，先用模具锻造出大型零件的毛坯，再加工各个部位，最后大部分材料都被切削、浪费掉了，实在是耗时费力。”王华明说，在3D打印金属技术之前，大型关键金属构件制造能力和材料性能水平几乎逼近了“天花板”。
“采用当下世界上最大的8万吨锻造机锻造的钛合金零件，其最大尺寸也不超过5平方米。”王华明举了个例子，我们最常见的民航大客机波音737，根据不同型号，机翼翼展在20米至50米不等，如果设计为整体构件，飞机关键受力构件尺寸都非常大。他张开双臂比划着说，“使用锻造机锻造如此巨大的装备零件，可以说是天方夜谭。”
小零件大突破
王华明与3D打印的缘分，始于1989年。当时，他在中国科学院金属研究所高温合金研究室攻读博士后，使用激光表面快速熔凝手段修复航空发动机叶片时，他发现修复后的叶片性能比原来还要好。“品质更致密、强塑性更好，不容易断裂了，表面光滑，摸起来也没有一点修补的痕迹。”王华明解释，这是因为激光表面熔凝处理会使材料快速达到高温，又瞬间急速冷却凝固，金属内部的组织就会非常细小，化学成分更均匀，性能自然更好。“当时我就在想，如果完全运用激光熔凝技术制造金属构件，可能会对大型装备制造业产生质的影响。”
这个念头始终萦绕在他的脑海中。
1995年，时任北京航空航天大学教授的王华明带领科研团队开始攻关钛合金、超高强度钢等高性能金属大型关键构件激光增材制造技术，正式开启了“金属3D打印”的研发之路。最开始，团队里只有王华明和实验师张凌云两位老师，后来又有6名研究生陆续加入并成为团队中的核心骨干。“那时候做出一个A4纸大小的次承力构件，我们都高兴得不得了。”王华明回忆，当时的难点主要是如何在保持高性能的前提下，逐渐增加3D打印金属构件的体积。
王华明领着记者来到实验室中的一间展示厅，推开门，桌子和地面上紧凑地摆放着大大小小数十个金属构件。体积大的需要多人齐心协力才能搬起，小的可以轻松握在手心。“这些金属构件见证了我们科研走过的每一步，每一件背后都有故事。”
走到一个长约两米的长方形金属构件前，王华明蹲下身指着前端的不规则接口介绍：“这是一件失败的作品，当时心太急，想赶紧打印大型构件，没想到冷却的时候，这里‘嘭’一声裂开了。”
原来，控制金属零件的品质就如同拉面条：金属里的组织就像面粉，面粉如果磨得足够细、揉得足够均匀，就能拉得很长，即金属的塑性好；面条嚼起来筋道，即金属的强度高。虽然原理很简单，但是当采用传统铸造技术时，构件变大，金属冷却速度就会变慢，组织就会变粗，化学成分就不均匀、不致密，从而导致金属构件的各方面性能都不尽如人意。同样，采用3D打印制造金属零件时，尺寸越大，内部热应力越高，打印过程越容易变形或开裂；凝固结晶及冷却过程控制不好也会导致冶金缺陷。
“一步做大”行不通，团队就“从小做起”，摸着石头一步步往前走。一块巴掌大的金属零件，团队先从四分之一部分做起，通过不断试验控制激光扫描的轨迹，寻找热应力临界点，避免因热胀冷缩造成零件变形、开裂。随后，再一点点扩大零件体积，从一半、一段起步，逐渐过渡到全尺寸。
每个3D打印出的金属构件，哪怕只是过程性成果，都必须经过严格的研制流程检验。“别人考核一次，我们得考核十次。”王华明收起微笑，认真地说，“未来这些零件都是要装到飞机、轮船、火箭等重大装备上的，和安全息息相关，容不得半点失误。”
试验一旦开始，20多天不能停，为了找到导致3D打印金属变形、开裂的具体原因，王华明和团队成员轮班，24小时在平台前盯着，随时调整建模数据。由于3D打印工艺难度极大，经常出现好不容易花了10多天打印，但零件内应力太高忽然开裂的情况，团队也只好寻找原因从头再来……
功夫不负有心人。2005年6月，王华明团队研制出的中国第一个3D打印钛合金小零件被装上飞机。“这是歼-11B上的一个特别小的零件，别看小，但是要做到能在飞机上应用，在我国是零的突破。”王华明说。而这也意味着，团队就此迈出了金属3D打印技术标志性的一步。
C919上的“大块头”
从3D打印面积不足一个巴掌大的金属零件，到如今可以打印投影面积上两位数的“大块头”，团队又走过了将近20年。
“自上海虹桥国际机场起飞的东航MU9191航班平安降落在北京首都国际机场，标志着国产大飞机C919圆满完成首个商业航班飞行。”5月28日中午，看到这条消息在网络上刷屏，王华明很激动——“C919带着我们所有人的梦想，真正飞上了蓝天。”他介绍，金属3D打印技术曾在C919的原型机和批产型号的制造中使用。团队耗时55天，做出了C919机头钛合金主风挡整体窗框，这个“大家伙”的重量只有约20斤，一个成年人就可以轻松拿起。
“当时的情况是，如果用钛合金厚板来抠的话，我们没有那个大厚板制造能力。欧洲有一家公司能锻造，但零件制造周期得两年，还得先掏200万美元模具费。”找别人干，花费高、工期长。最终王华明团队采用3D打印完成了窗框，从打印、热处理、性能测试、无损检验、数控加工、检测到运输交付，整个制造周期不足55天，成本还不到锻造模具费用的十分之一。
轻描淡写的55天，背后的艰辛，王华明很少提及。
那年春节前，零件的研制即将取得阶段性成果。“预计目标是腊月二十前完成，但各种小问题一个个冒出来，一拖就拖到了除夕下午。”王华明回忆，除夕那天，团队里该回老家过年的成员都买票回去了，负责增材制造工艺的张述泉在去火车站之前，将机器上的数控语句及按钮一个个仔细标注出来，又把设备操作流程手把手教给了值守实验室的方艳丽。“加上我，团队技术人员只剩下3个人，还请了3个北航机械厂的老师傅帮忙从打印机中把零件抬出来。”
等到除夕晚上七八点钟，零件终于打印完成。但还没来得及高兴，新问题就来了——“由于激光打印温度极高，在制作完成后要马上放到炉中做去应力处理，不然零件容易发生开裂。但是，零件尺寸太大太重，师傅们费了九牛二虎之力，还是没办法放进炉中。”这时，春节的鞭炮声已经响起，面对终于制造成形的庞然大物，大家却一筹莫展，内心不知该喜该忧。
“先回家吧。”王华明冷静了一会儿，做出决定。后来，他向记者解释：“那段日子，大家心里的弦都绷得很紧，上白班的一连工作十多个小时，上夜班的好几个月见不到太阳。方艳丽临产前两天还坚守在岗位上，孩子才一两岁，就带着孩子来上班。设备不够先进，张述泉就蹲在地上观察打印过程，一盯就是好几个小时……”除夕夜，家人们催促回家吃团圆饭的电话一个个响起，王华明也不忍心让大家再留守了。
把团队成员一个个劝走，王华明耳边只有零落的鞭炮声。“心里像空了一块，又像被揉皱了，无可奈何。”最终，大家还是没想出给大型零件去应力的方法，只能凭运气，等着看零件冷却后的状态。初一一大早，王华明最早到达实验室，却发现零件整整齐齐裂成了三段。
“做技术就是这样，困难和问题如影随形。失败的时候沮丧一会儿，爬起来继续干。”王华明说，后来团队又尝试了多种方法，来解决大型构件内应力大、容易开裂的问题，但都失败了。突然有一天，有人灵光一闪，想到一个很简单的物理学原理，先化整为零，再积零为整，最终实现了内应力离散。
2012年获国家技术发明一等奖、2013年入选万人计划“科技创新领军人才”、2015年当选中国工程院院士……凭借着钛合金大型复杂整体构件激光增材制造技术，王华明与团队收获了无数掌声、鲜花和荣誉。
“研究材料是件无法讲求回报的事，很多专家毕生的研究成果都不一定能投入使用。我们何其幸运，制造的零件可以被看见，可以带着我们的梦想上天入海。现在想来，那些苦熬的日日夜夜都值了！”
当下，团队正在面向国家重大装备发展的战略需求和先进材料制造技术国际前沿，开展重大装备新一代高性能金属结构件及其大型关键构件高效、低成本、高精度增材制造技术研究和应用。
王华明还有一个梦想——让3D打印不仅仅是一种金属制造的手段，“我们可以控制温度、控制流动和结晶的状态，最终发展成一种新的材料，它的强度、韧性、质量、寿命都会攀上一个新的高度。”他说，“未来，金属3D打印不仅会改变大型零件制造工业固有的大、重、贵的面貌，还会走进千家万户，造福更多的人。”
如今，王华明依旧坚守在科研和教学一线。“看着零件像树苗发芽一样一毫米、一毫米地堆积生长，那种感觉非常奇妙。”他笑着说，科研之路亦是如此，一步一个脚印，保持初心，不骄不躁。
(责任编辑：admin)
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