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、北京航空航天大學前沿科學技術(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、燃氣輪機等重大工業(yè)裝備大型復雜關(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)嶒炇遥�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。“最近，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@一步驟主要依靠計算機建模，對目標零件切片分層，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�！蓖跞A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。

△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�！蓖跞A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。當時，他在中國科學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航空發(fā)動機葉片時，他發(fā)現(xiàn)修復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小，化學成分更均勻，性能自然更好�！爱敃r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�！蓖跞A明回憶，當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�！斑@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、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，化學成分就不均勻、不致密，從而導致金屬構(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。“這是殲-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。”王華明說。而這也意味著，團隊就此邁出了金屬3D打印技術(shù)標志性的一步。

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�！彼�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�！邦A(yù)計目標是臘月二十前完成，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，負責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標注出來，又把設(shè)備操作流程手把手教給了值守實驗室的方艷麗�！凹由衔遥瑘F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�！蓖跞A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。“心里像空了一塊，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�！蓖跞A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年當選中國工程院院士……憑借著鈦合金大型復雜整體構(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�！，F(xiàn)在想來，那些苦熬的日日夜夜都值了！”

當下，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。”他說，“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。