讓火箭、軍機(jī)、衛(wèi)星用上金屬能3D打印，他用了30余年研究

來(lái)源：北京日?qǐng)?bào)

爐火照天地，紅星亂紫煙。

在詩(shī)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(wú)法想象，千百年后的今天，金屬還能被這樣“智造”——

中國(guó)工程院院士、大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)，研發(fā)出了飛機(jī)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(jì)算機(jī)控制下，采用激光逐層掃描，熔化并激冷凝固堆積，從而實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速成形制造。

這項(xiàng)技術(shù)也常被人們稱(chēng)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(chǎng)景不復(fù)存在。一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī)、一組高精度激光頭、一個(gè)大型金屬構(gòu)件增材制造數(shù)控機(jī)械平臺(tái)，就能完成飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)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(guó)艦載殲擊機(jī)、運(yùn)20大型運(yùn)輸機(jī)、長(zhǎng)征5B大型運(yùn)載火箭、祝融號(hào)火星探測(cè)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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)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(shí)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(huì)改變國(guó)家重大裝備的未來(lái)……”王華明邊帶著記者走向?qū)嶒?yàn)室，邊介紹著這項(xiàng)他稱(chēng)之為“神奇”的技術(shù)。他笑著說(shuō)，“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(méi)有想象中特別高大上的實(shí)驗(yàn)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(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室”招牌的大樓前停下腳步，耳邊隱隱傳來(lái)車(chē)間廠房才有的機(jī)器轟鳴聲�！白罱�，我們正在加班加點(diǎn)趕制一批飛機(jī)零件�！蓖跞A明邊說(shuō)邊按下開(kāi)門(mén)按鈕，一間曾經(jīng)誕生過(guò)多項(xiàng)國(guó)家重大發(fā)明專(zhuān)利的實(shí)驗(yàn)室映入眼簾。

這是一棟有3層樓高、1000余平方米的獨(dú)立樓房，墻上“報(bào)國(guó)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(shuō)是實(shí)驗(yàn)室，這里更像一間車(chē)間廠房——十余位身穿藍(lán)色工服的工程技術(shù)人員穿梭在數(shù)臺(tái)大型機(jī)器間，“當(dāng)心激光”“規(guī)范操作”等安全提示語(yǔ)隨處可見(jiàn)。

“這臺(tái)大家伙就是大型金屬構(gòu)件激光3D打印機(jī)，專(zhuān)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_(tái)約3米高、形似集裝箱的白色機(jī)器前，王華明戴上黑色防激光眼鏡，探著身子透過(guò)玻璃窗向里看：平臺(tái)上，一塊長(zhǎng)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(zhǎng)”出了一個(gè)3毫米高的環(huán)形。

盡管僅有一個(gè)指尖大小，但“新生”的金屬部分并非憑空而來(lái)。王華明耐心地從頭講起：“簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，一個(gè)3D打印出的金屬構(gòu)件需要經(jīng)歷兩個(gè)‘生長(zhǎng)’階段：先在計(jì)算機(jī)中建立模型，再通過(guò)程序驅(qū)動(dòng)激光逐層掃描熔化，從而構(gòu)造成形�！�

他以任意一個(gè)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)�！斑@一步驟主要依靠計(jì)算機(jī)建模，對(duì)目標(biāo)零件切片分層，有點(diǎn)像做千層蛋糕，每一層越薄越好，這樣構(gòu)造出來(lái)的金屬實(shí)體精度才越高，表面也越光整。”王華明愛(ài)打比方，他說(shuō)，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(shuō)前一階段的任務(wù)主要靠計(jì)算機(jī)跑數(shù)據(jù)，那么最具科技含量的‘重頭戲’就藏在這兒�！蓖跞A明賣(mài)了個(gè)關(guān)子，先讓記者戴上防激光眼鏡，湊近制造平臺(tái)的玻璃仔細(xì)觀察：只見(jiàn)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”。“這是激光在逐層熔化金屬粉末，同時(shí)將其凝固沉積形成新的形態(tài)。我們基于前期計(jì)算機(jī)生成的模型數(shù)據(jù)，形成數(shù)字化加工信息，通過(guò)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�！彼�說(shuō)。

△王華明與團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)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(tuán)隊(duì)圍繞其核心關(guān)鍵問(wèn)題研究了30余年。

上世紀(jì)八九十年代，我國(guó)的金屬激光增材制造技術(shù)尚未起步，一些世界發(fā)達(dá)國(guó)家雖已經(jīng)開(kāi)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(guó)曾率先開(kāi)展飛機(jī)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(wú)法滿足飛機(jī)要求，于2005年底放棄。

為什么要瞄準(zhǔn)一個(gè)“國(guó)內(nèi)零基礎(chǔ)、國(guó)外沒(méi)走通”的項(xiàng)目下功夫？“任何一項(xiàng)新技術(shù)的誕生，背后都反映出舊的技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足人們生產(chǎn)生活需求了。”王華明說(shuō)，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(zhǎng)、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(fèi)數(shù)月甚至數(shù)年的時(shí)間，還要?jiǎng)佑萌f(wàn)噸級(jí)的水壓機(jī)，先用模具鍛造出大型零件的毛坯，再加工各個(gè)部位，最后大部分材料都被切削、浪費(fèi)掉了，實(shí)在是耗時(shí)費(fèi)力�！蓖跞A明說(shuō)，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(wàn)噸鍛造機(jī)鍛造的鈦合金零件，其最大尺寸也不超過(guò)5平方米�！蓖跞A明舉了個(gè)例子，我們最常見(jiàn)的民航大客機(jī)波音737，根據(jù)不同型號(hào)，機(jī)翼翼展在20米至50米不等，如果設(shè)計(jì)為整體構(gòu)件，飛機(jī)關(guān)鍵受力構(gòu)件尺寸都非常大。他張開(kāi)雙臂比劃著說(shuō)，“使用鍛造機(jī)鍛造如此巨大的裝備零件，可以說(shuō)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(shí)，他在中國(guó)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(dòng)機(jī)葉片時(shí)，他發(fā)現(xiàn)修復(fù)后的葉片性能比原來(lái)還要好�！捌焚|(zhì)更致密、強(qiáng)塑性更好，不容易斷裂了，表面光滑，摸起來(lái)也沒(méi)有一點(diǎn)修補(bǔ)的痕跡。”王華明解釋?zhuān)�這是因?yàn)榧す獗砻嫒勰�處理�?huì)使材料快速達(dá)到高溫，又瞬間急速冷卻凝固，金屬內(nèi)部的組織就會(huì)非常細(xì)小，化學(xué)成分更均勻，性能自然更好。“當(dāng)時(shí)我就在想，如果完全運(yùn)用激光熔凝技術(shù)制造金屬構(gòu)件，可能會(huì)對(duì)大型裝備制造業(yè)產(chǎn)生質(zhì)的影響�！�

這個(gè)念頭始終縈繞在他的腦海中。

1995年，時(shí)任北京航空航天大學(xué)教授的王華明帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)開(kāi)始攻關(guān)鈦合金、超高強(qiáng)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(kāi)啟了“金屬3D打印”的研發(fā)之路。

最開(kāi)始，團(tuán)隊(duì)里只有王華明和實(shí)驗(yàn)師張凌云兩位老師，后來(lái)又有6名研究生陸續(xù)加入并成為團(tuán)隊(duì)中的核心骨干�！澳菚r(shí)候做出一個(gè)A4紙大小的次承力構(gòu)件，我們都高興得不得了�！蓖跞A明回憶，當(dāng)時(shí)的難點(diǎn)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(lái)到實(shí)驗(yàn)室中的一間展示廳，推開(kāi)門(mén)，桌子和地面上緊湊地?cái)[放著大大小小數(shù)十個(gè)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(jiàn)證了我們科研走過(guò)的每一步，每一件背后都有故事。”

走到一個(gè)長(zhǎng)約兩米的長(zhǎng)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(shí)心太急，想趕緊打印大型構(gòu)件，沒(méi)想到冷卻的時(shí)候，這里‘嘭’一聲裂開(kāi)了�！�

原來(lái)，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(zhǎng)，即金屬的塑性好；面條嚼起來(lái)筋道，即金屬的強(qiáng)度高。雖然原理很簡(jiǎn)單，但是當(dāng)采用傳統(tǒng)鑄造技術(shù)時(shí)，構(gòu)件變大，金屬冷卻速度就會(huì)變慢，組織就會(huì)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(shí)，尺寸越大，內(nèi)部熱應(yīng)力越高，打印過(guò)程越容易變形或開(kāi)裂；凝固結(jié)晶及冷卻過(guò)程控制不好也會(huì)導(dǎo)致冶金缺陷。

“一步做大”行不通，團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)先從四分之一部分做起，通過(guò)不斷試驗(yàn)控制激光掃描的軌跡，尋找熱應(yīng)力臨界點(diǎn)，避免因熱脹冷縮造成零件變形、開(kāi)裂。隨后，再一點(diǎn)點(diǎn)擴(kuò)大零件體積，從一半、一段起步，逐漸過(guò)渡到全尺寸。

每個(gè)3D打印出的金屬構(gòu)件，哪怕只是過(guò)程性成果，都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的研制流程檢驗(yàn)�！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(shuō)，“未來(lái)這些零件都是要裝到飛機(jī)、輪船、火箭等重大裝備上的，和安全息息相關(guān)，容不得半點(diǎn)失誤�！�

試驗(yàn)一旦開(kāi)始，20多天不能停，為了找到導(dǎo)致3D打印金屬變形、開(kāi)裂的具體原因，王華明和團(tuán)隊(duì)成員輪班，24小時(shí)在平臺(tái)前盯著，隨時(shí)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(kāi)裂的情況，團(tuán)隊(duì)也只好尋找原因從頭再來(lái)……

功夫不負(fù)有心人。2005年6月，王華明團(tuán)隊(duì)研制出的中國(guó)第一個(gè)3D打印鈦合金小零件被裝上飛機(jī)�！斑@是殲-11B上的一個(gè)特別小的零件，別看小，但是要做到能在飛機(jī)上應(yīng)用，在我國(guó)是零的突破�！蓖跞A明說(shuō)。而這也意味著，團(tuán)隊(duì)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(gè)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(tuán)隊(duì)又走過(guò)了將近20年。

“自上海虹橋國(guó)際機(jī)場(chǎng)起飛的東航MU9191航班平安降落在北京首都國(guó)際機(jī)場(chǎng)，標(biāo)志著國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919圓滿完成首個(gè)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(dòng)——“C919帶著我們所有人的夢(mèng)想，真正飛上了藍(lán)天。”他介紹，金屬3D打印技術(shù)曾在C919的原型機(jī)和批產(chǎn)型號(hào)的制造中使用。團(tuán)隊(duì)耗時(shí)55天，做出了C919機(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框，這個(gè)“大家伙”的重量只有約20斤，一個(gè)成年人就可以輕松拿起。

“當(dāng)時(shí)的情況是，如果用鈦合金厚板來(lái)?yè)傅脑�，我們沒(méi)有那個(gè)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(wàn)美元模具費(fèi)。”找別人干，花費(fèi)高、工期長(zhǎng)。最終王華明團(tuán)隊(duì)采用3D打印完成了窗框，從打印、熱處理、性能測(cè)試、無(wú)損檢驗(yàn)、數(shù)控加工、檢測(cè)到運(yùn)輸交付，整個(gè)制造周期不足55天，成本還不到鍛造模具費(fèi)用的十分之一。

輕描淡寫(xiě)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�！邦A(yù)計(jì)目標(biāo)是臘月二十前完成，但各種小問(wèn)題一個(gè)個(gè)冒出來(lái)，一拖就拖到了除夕下午。”王華明回憶，除夕那天，團(tuán)隊(duì)里該回老家過(guò)年的成員都買(mǎi)票回去了，負(fù)責(zé)增材制造工藝的張述泉在去火車(chē)站之前，將機(jī)器上的數(shù)控語(yǔ)句及按鈕一個(gè)個(gè)仔細(xì)標(biāo)注出來(lái)，又把設(shè)備操作流程手把手教給了值守實(shí)驗(yàn)室的方艷麗�！凹由衔�，團(tuán)隊(duì)技術(shù)人員只剩下3個(gè)人，還請(qǐng)了3個(gè)北航機(jī)械廠的老師傅幫忙從打印機(jī)中把零件抬出來(lái)�！�

等到除夕晚上七八點(diǎn)鐘，零件終于打印完成。但還沒(méi)來(lái)得及高興，新問(wèn)題就來(lái)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(kāi)裂。但是，零件尺寸太大太重，師傅們費(fèi)了九牛二虎之力，還是沒(méi)辦法放進(jìn)爐中�！边@時(shí)，春節(jié)的鞭炮聲已經(jīng)響起，面對(duì)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�！蓖跞A明冷靜了一會(huì)兒，做出決定。后來(lái)，他向記者解釋?zhuān)骸澳嵌稳兆�，大家心里的弦都繃得很緊，上白班的一連工作十多個(gè)小時(shí)，上夜班的好幾個(gè)月見(jiàn)不到太陽(yáng)。方艷麗臨產(chǎn)前兩天還堅(jiān)守在崗位上，孩子才一兩歲，就帶著孩子來(lái)上班。設(shè)備不夠先進(jìn)，張述泉就蹲在地上觀察打印過(guò)程，一盯就是好幾個(gè)小時(shí)……”除夕夜，家人們催促回家吃團(tuán)圓飯的電話一個(gè)個(gè)響起，王華明也不忍心讓大家再留守了。

把團(tuán)隊(duì)成員一個(gè)個(gè)勸走，王華明耳邊只有零落的鞭炮聲。“心里像空了一塊，又像被揉皺了，無(wú)可奈何�！弊罱K，大家還是沒(méi)想出給大型零件去應(yīng)力的方法，只能憑運(yùn)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(dá)實(shí)驗(yàn)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(wèn)題如影隨形。失敗的時(shí)候沮喪一會(huì)兒，爬起來(lái)繼續(xù)干�！蓖跞A明說(shuō)，后來(lái)團(tuán)隊(duì)又嘗試了多種方法，來(lái)解決大型構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力大、容易開(kāi)裂的問(wèn)題，但都失敗了。突然有一天，有人靈光一閃，想到一個(gè)很簡(jiǎn)單的物理學(xué)原理，先化整為零，再積零為整，最終實(shí)現(xiàn)了內(nèi)應(yīng)力離散。

2012年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)、2013年入選萬(wàn)人計(jì)劃“科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才”、2015年當(dāng)選中國(guó)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(tuán)隊(duì)收獲了無(wú)數(shù)掌聲、鮮花和榮譽(yù)。

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

當(dāng)下，團(tuán)隊(duì)正在面向國(guó)家重大裝備發(fā)展的戰(zhàn)略需求和先進(jìn)材料制造技術(shù)國(guó)際前沿，開(kāi)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(gè)夢(mèng)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(dòng)和結(jié)晶的狀態(tài)，最終發(fā)展成一種新的材料，它的強(qiáng)度、韌性、質(zhì)量、壽命都會(huì)攀上一個(gè)新的高度。”他說(shuō)，“未來(lái)，金屬3D打印不僅會(huì)改變大型零件制造工業(yè)固有的大、重、貴的面貌，還會(huì)走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)，造福更多的人。”

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