讓火箭、軍機,、衛(wèi)星用上金屬能3D打印，他用了30余年研究

來源：北京日報

爐火照天地，紅星亂紫煙。

在詩仙李白筆下,，千百年前的金屬冶煉鑄造，伴隨著火星四濺,，紫煙蒸騰,。而古人可能永遠(yuǎn)無法想象，千百年后的今天,，金屬還能被這樣“智造”——

中國工程院院士,、大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室主任、北京航空航天大學(xué)前沿科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新研究院教授王華明帶領(lǐng)團隊,，研發(fā)出了飛機鈦合金等大型復(fù)雜構(gòu)件激光增材制造技術(shù),，以合金粉末或絲材為原材料，在計算機控制下,，采用激光逐層掃描，熔化并激冷凝固堆積,，從而實現(xiàn)大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速成形制造,。

這項技術(shù)也常被人們稱作“金屬3D打印”。

有了它,，古人筆下“烈火熊熊,、濃煙滾滾”的金屬冶鑄場景不復(fù)存在。一臺高性能計算機,、一組高精度激光頭,、一個大型金屬構(gòu)件增材制造數(shù)控機械平臺，就能完成飛機,、發(fā)動機,、燃?xì)廨啓C等重大工業(yè)裝備大型復(fù)雜關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)的快速生產(chǎn)。

我國艦載殲擊機,、運20大型運輸機,、長征5B大型運載火箭,、祝融號火星探測器等重大裝備上，都有使用3D打印技術(shù)制造的大型關(guān)鍵金屬承力構(gòu)件,。

△大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室主任王華明

逼近“天花板”

“金屬鑄造很神奇,，幾千年前青銅器時代就有的古老技法，在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的加持下,，可能會改變國家重大裝備的未來……”王華明邊帶著記者走向?qū)嶒炇�,，邊介紹著這項他稱之為“神奇”的技術(shù)。他笑著說,，“我們就是一群最普通,、最平常的科技工作者，常年和金屬材料打交道,，沒有想象中特別高大上的實驗室,，干的也是普通事�,！�

跟隨王華明在懸掛著“大型金屬構(gòu)件增材制造國家工程實驗室”招牌的大樓前停下腳步,，耳邊隱隱傳來車間廠房才有的機器轟鳴聲�,！白罱�,，我們正在加班加點趕制一批飛機零件�,！蓖跞A明邊說邊按下開門按鈕,，一間曾經(jīng)誕生過多項國家重大發(fā)明專利的實驗室映入眼簾。

這是一棟有3層樓高,、1000余平方米的獨立樓房,，墻上“報國使命 創(chuàng)新引領(lǐng) 激情敏行 卓越超越”的大字牌匾格外顯眼，與其說是實驗室,，這里更像一間車間廠房——十余位身穿藍色工服的工程技術(shù)人員穿梭在數(shù)臺大型機器間,，“當(dāng)心激光”“規(guī)范操作”等安全提示語隨處可見。

“這臺大家伙就是大型金屬構(gòu)件激光3D打印機,，專業(yè)叫法是‘大型金屬構(gòu)件激光增材制造裝備’,，很多金屬構(gòu)件就是在這里誕生的�,！痹谝慌_約3米高,、形似集裝箱的白色機器前，王華明戴上黑色防激光眼鏡,，探著身子透過玻璃窗向里看：平臺上,，一塊長方形金屬材料表面亮起不斷游走的小小“火花”。不到一分鐘后，“火花”熄滅,，原本光滑的金屬材料表面竟“長”出了一個3毫米高的環(huán)形,。

盡管僅有一個指尖大小，但“新生”的金屬部分并非憑空而來,。王華明耐心地從頭講起：“簡單來說,，一個3D打印出的金屬構(gòu)件需要經(jīng)歷兩個‘生長’階段：先在計算機中建立模型，再通過程序驅(qū)動激光逐層掃描熔化,，從而構(gòu)造成形,。”

他以任意一個目標(biāo)零件舉例：首先要繪制模型圖,，生成一系列平面數(shù)據(jù),。“這一步驟主要依靠計算機建模,，對目標(biāo)零件切片分層,，有點像做千層蛋糕，每一層越薄越好,，這樣構(gòu)造出來的金屬實體精度才越高,，表面也越光整�,！蓖跞A明愛打比方,，他說，金屬制造研究既需要大量精密數(shù)據(jù)支撐,，也要有豐富的空間想象力,，把枯燥的數(shù)據(jù)在大腦中轉(zhuǎn)化成形象的圖形。

“如果說前一階段的任務(wù)主要靠計算機跑數(shù)據(jù),，那么最具科技含量的‘重頭戲’就藏在這兒,。”王華明賣了個關(guān)子,，先讓記者戴上防激光眼鏡,，湊近制造平臺的玻璃仔細(xì)觀察：只見在金屬材料上方，一組激光頭向前,、后、左,、右不停游走著,，發(fā)射的激光照射向金屬表面形成微小高溫熔池，即肉眼看到的明亮“火花”,�,！斑@是激光在逐層熔化金屬粉末，同時將其凝固沉積形成新的形態(tài),。我們基于前期計算機生成的模型數(shù)據(jù),，形成數(shù)字化加工信息,，通過數(shù)控系統(tǒng)，指導(dǎo)激光發(fā)射并熔化金屬粉末,，從而堆積形成新的金屬構(gòu)件,。”他說,。

△王華明與團隊在實驗室探討科研

看似幾句話就能解釋明白的金屬3D打印,，王華明帶領(lǐng)團隊圍繞其核心關(guān)鍵問題研究了30余年。

上世紀(jì)八九十年代,，我國的金屬激光增材制造技術(shù)尚未起步,，一些世界發(fā)達國家雖已經(jīng)開始探索激光3D打印金屬零件，但始終未能在該領(lǐng)域“激起水花”,。資料顯示,，美國曾率先開展飛機鈦合金構(gòu)件激光增材制造技術(shù)研究，但由于打印構(gòu)件在疲勞等性能方面無法滿足飛機要求,，于2005年底放棄,。

為什么要瞄準(zhǔn)一個“國內(nèi)零基礎(chǔ)、國外沒走通”的項目下功夫,？“任何一項新技術(shù)的誕生,，背后都反映出舊的技術(shù)已經(jīng)無法滿足人們生產(chǎn)生活需求了�,！蓖跞A明說,，這還得從傳統(tǒng)的金屬鑄鍛技術(shù)講起。

鈦合金等高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造技術(shù),，是航空航天等高端重大裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)和核心技術(shù),。采用傳統(tǒng)的金屬鑄鍛技術(shù)制造，需要配套齊全的材料冶金和鑄鍛成形等重工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施,，不僅制造周期長,、成本高，還受到鑄錠冶金和鍛造成形的原理性制約,。

“光大型鍛造模具的加工就可能花費數(shù)月甚至數(shù)年的時間,，還要動用萬噸級的水壓機，先用模具鍛造出大型零件的毛坯,，再加工各個部位,，最后大部分材料都被切削、浪費掉了,，實在是耗時費力,。”王華明說，在3D打印金屬技術(shù)之前,，大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造能力和材料性能水平幾乎逼近了“天花板”,。

“采用當(dāng)下世界上最大的8萬噸鍛造機鍛造的鈦合金零件，其最大尺寸也不超過5平方米,�,！蓖跞A明舉了個例子，我們最常見的民航大客機波音737,，根據(jù)不同型號,，機翼翼展在20米至50米不等，如果設(shè)計為整體構(gòu)件,，飛機關(guān)鍵受力構(gòu)件尺寸都非常大,。他張開雙臂比劃著說，“使用鍛造機鍛造如此巨大的裝備零件,，可以說是天方夜譚,。”

小零件大突破
王華明與3D打印的緣分,，始于1989年,。當(dāng)時，他在中國科學(xué)院金屬研究所高溫合金研究室攻讀博士后,，使用激光表面快速熔凝手段修復(fù)航空發(fā)動機葉片時,，他發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的葉片性能比原來還要好�,！捌焚|(zhì)更致密,、強塑性更好，不容易斷裂了,，表面光滑,，摸起來也沒有一點修補的痕跡�,！蓖跞A明解釋,，這是因為激光表面熔凝處理會使材料快速達到高溫，又瞬間急速冷卻凝固,，金屬內(nèi)部的組織就會非常細(xì)小,，化學(xué)成分更均勻，性能自然更好,�,！爱�(dāng)時我就在想，如果完全運用激光熔凝技術(shù)制造金屬構(gòu)件,，可能會對大型裝備制造業(yè)產(chǎn)生質(zhì)的影響。”

這個念頭始終縈繞在他的腦海中,。

1995年,，時任北京航空航天大學(xué)教授的王華明帶領(lǐng)科研團隊開始攻關(guān)鈦合金、超高強度鋼等高性能金屬大型關(guān)鍵構(gòu)件激光增材制造技術(shù),，正式開啟了“金屬3D打印”的研發(fā)之路,。

最開始，團隊里只有王華明和實驗師張凌云兩位老師,，后來又有6名研究生陸續(xù)加入并成為團隊中的核心骨干,。“那時候做出一個A4紙大小的次承力構(gòu)件,，我們都高興得不得了,。”王華明回憶,，當(dāng)時的難點主要是如何在保持高性能的前提下,，逐漸增加3D打印金屬構(gòu)件的體積。

王華明領(lǐng)著記者來到實驗室中的一間展示廳,，推開門,，桌子和地面上緊湊地擺放著大大小小數(shù)十個金屬構(gòu)件。體積大的需要多人齊心協(xié)力才能搬起,，小的可以輕松握在手心,。“這些金屬構(gòu)件見證了我們科研走過的每一步,，每一件背后都有故事,。”

走到一個長約兩米的長方形金屬構(gòu)件前,，王華明蹲下身指著前端的不規(guī)則接口介紹：“這是一件失敗的作品,，當(dāng)時心太急，想趕緊打印大型構(gòu)件,，沒想到冷卻的時候,，這里‘嘭’一聲裂開了�,！�

原來,，控制金屬零件的品質(zhì)就如同拉面條：金屬里的組織就像面粉，面粉如果磨得足夠細(xì),、揉得足夠均勻,，就能拉得很長，即金屬的塑性好,；面條嚼起來筋道,，即金屬的強度高,。雖然原理很簡單，但是當(dāng)采用傳統(tǒng)鑄造技術(shù)時,，構(gòu)件變大,，金屬冷卻速度就會變慢，組織就會變粗,，化學(xué)成分就不均勻,、不致密，從而導(dǎo)致金屬構(gòu)件的各方面性能都不盡如人意,。同樣,，采用3D打印制造金屬零件時，尺寸越大,，內(nèi)部熱應(yīng)力越高,，打印過程越容易變形或開裂；凝固結(jié)晶及冷卻過程控制不好也會導(dǎo)致冶金缺陷,。

“一步做大”行不通,，團隊就“從小做起”，摸著石頭一步步往前走,。一塊巴掌大的金屬零件,，團隊先從四分之一部分做起，通過不斷試驗控制激光掃描的軌跡,，尋找熱應(yīng)力臨界點,，避免因熱脹冷縮造成零件變形、開裂,。隨后,，再一點點擴大零件體積，從一半,、一段起步,，逐漸過渡到全尺寸。

每個3D打印出的金屬構(gòu)件,，哪怕只是過程性成果,，都必須經(jīng)過嚴(yán)格的研制流程檢驗�,！皠e人考核一次,，我們得考核十次�,！蓖跞A明收起微笑,，認(rèn)真地說，“未來這些零件都是要裝到飛機,、輪船,、火箭等重大裝備上的,，和安全息息相關(guān)，容不得半點失誤,�,！�

試驗一旦開始，20多天不能停,，為了找到導(dǎo)致3D打印金屬變形、開裂的具體原因,，王華明和團隊成員輪班,，24小時在平臺前盯著，隨時調(diào)整建模數(shù)據(jù),。由于3D打印工藝難度極大,，經(jīng)常出現(xiàn)好不容易花了10多天打印，但零件內(nèi)應(yīng)力太高忽然開裂的情況,，團隊也只好尋找原因從頭再來……

功夫不負(fù)有心人,。2005年6月，王華明團隊研制出的中國第一個3D打印鈦合金小零件被裝上飛機,�,！斑@是殲-11B上的一個特別小的零件，別看小,，但是要做到能在飛機上應(yīng)用,，在我國是零的突破�,！蓖跞A明說,。而這也意味著，團隊就此邁出了金屬3D打印技術(shù)標(biāo)志性的一步,。

C919上的“大塊頭”
從3D打印面積不足一個巴掌大的金屬零件,，到如今可以打印投影面積上兩位數(shù)的“大塊頭”，團隊又走過了將近20年,。

“自上海虹橋國際機場起飛的東航MU9191航班平安降落在北京首都國際機場,，標(biāo)志著國產(chǎn)大飛機C919圓滿完成首個商業(yè)航班飛行�,！�5月28日中午,，看到這條消息在網(wǎng)絡(luò)上刷屏，王華明很激動——“C919帶著我們所有人的夢想,，真正飛上了藍天,。”他介紹,，金屬3D打印技術(shù)曾在C919的原型機和批產(chǎn)型號的制造中使用,。團隊耗時55天,，做出了C919機頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，這個“大家伙”的重量只有約20斤,，一個成年人就可以輕松拿起,。

“當(dāng)時的情況是，如果用鈦合金厚板來摳的話,，我們沒有那個大厚板制造能力,。歐洲有一家公司能鍛造，但零件制造周期得兩年,，還得先掏200萬美元模具費,。”找別人干,，花費高,、工期長。最終王華明團隊采用3D打印完成了窗框,，從打印,、熱處理、性能測試,、無損檢驗,、數(shù)控加工、檢測到運輸交付,，整個制造周期不足55天,，成本還不到鍛造模具費用的十分之一。

輕描淡寫的55天,，背后的艱辛,，王華明很少提及。

那年春節(jié)前,，零件的研制即將取得階段性成果,。“預(yù)計目標(biāo)是臘月二十前完成,，但各種小問題一個個冒出來,，一拖就拖到了除夕下午�,！蓖跞A明回憶,，除夕那天，團隊里該回老家過年的成員都買票回去了,，負(fù)責(zé)增材制造工藝的張述泉在去火車站之前,，將機器上的數(shù)控語句及按鈕一個個仔細(xì)標(biāo)注出來，又把設(shè)備操作流程手把手教給了值守實驗室的方艷麗,�,！凹由衔�,，團隊技術(shù)人員只剩下3個人，還請了3個北航機械廠的老師傅幫忙從打印機中把零件抬出來,�,！�

等到除夕晚上七八點鐘，零件終于打印完成,。但還沒來得及高興,，新問題就來了——“由于激光打印溫度極高，在制作完成后要馬上放到爐中做去應(yīng)力處理,，不然零件容易發(fā)生開裂,。但是，零件尺寸太大太重,，師傅們費了九牛二虎之力，還是沒辦法放進爐中,�,！边@時，春節(jié)的鞭炮聲已經(jīng)響起,，面對終于制造成形的龐然大物,，大家卻一籌莫展，內(nèi)心不知該喜該憂,。

“先回家吧,。”王華明冷靜了一會兒,，做出決定,。后來，他向記者解釋：“那段日子,，大家心里的弦都繃得很緊,，上白班的一連工作十多個小時，上夜班的好幾個月見不到太陽,。方艷麗臨產(chǎn)前兩天還堅守在崗位上,，孩子才一兩歲，就帶著孩子來上班,。設(shè)備不夠先進,，張述泉就蹲在地上觀察打印過程，一盯就是好幾個小時……”除夕夜,，家人們催促回家吃團圓飯的電話一個個響起,，王華明也不忍心讓大家再留守了。

把團隊成員一個個勸走,，王華明耳邊只有零落的鞭炮聲,�,！靶睦锵窨樟艘粔K，又像被揉皺了,，無可奈何,。”最終,，大家還是沒想出給大型零件去應(yīng)力的方法,，只能憑運氣，等著看零件冷卻后的狀態(tài),。初一一大早,，王華明最早到達實驗室，卻發(fā)現(xiàn)零件整整齊齊裂成了三段,。

“做技術(shù)就是這樣,，困難和問題如影隨形。失敗的時候沮喪一會兒,，爬起來繼續(xù)干,。”王華明說,，后來團隊又嘗試了多種方法,，來解決大型構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力大、容易開裂的問題,，但都失敗了,。突然有一天，有人靈光一閃,，想到一個很簡單的物理學(xué)原理,，先化整為零，再積零為整,，最終實現(xiàn)了內(nèi)應(yīng)力離散,。

2012年獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎、2013年入選萬人計劃“科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”,、2015年當(dāng)選中國工程院院士……憑借著鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光增材制造技術(shù),，王華明與團隊收獲了無數(shù)掌聲、鮮花和榮譽,。

“研究材料是件無法講求回報的事,，很多專家畢生的研究成果都不一定能投入使用。我們何其幸運,，制造的零件可以被看見,，可以帶著我們的夢想上天入海。現(xiàn)在想來,，那些苦熬的日日夜夜都值了,！”

當(dāng)下，團隊正在面向國家重大裝備發(fā)展的戰(zhàn)略需求和先進材料制造技術(shù)國際前沿,，開展重大裝備新一代高性能金屬結(jié)構(gòu)件及其大型關(guān)鍵構(gòu)件高效,、低成本、高精度增材制造技術(shù)研究和應(yīng)用,。

王華明還有一個夢想——讓3D打印不僅僅是一種金屬制造的手段,，“我們可以控制溫度、控制流動和結(jié)晶的狀態(tài),，最終發(fā)展成一種新的材料,，它的強度、韌性,、質(zhì)量,、壽命都會攀上一個新的高度�,！彼�說,，“未來，金屬3D打印不僅會改變大型零件制造工業(yè)固有的大,、重、貴的面貌,，還會走進千家萬戶,，造福更多的人�,！�

如今,，王華明依舊堅守在科研和教學(xué)一線�,！翱粗�零件像樹苗發(fā)芽一樣一毫米,、一毫米地堆積生長，那種感覺非常奇妙,�,！彼�笑著說，科研之路亦是如此,，一步一個腳印,，保持初心，不驕不躁,。