科創(chuàng)十年·出彩北京丨王華明：金屬3D打印“智造”大國重器
近日，北京市科委、中關(guān)村管委會政務(wù)新媒體平臺推出“科創(chuàng)十年·出彩北京”專欄，進行系列主題報道和人物報道，集中展現(xiàn)北京國際科技創(chuàng)新中心牢記囑托、接續(xù)奮斗的生動實踐，以及向更高水平邁進，早日建成世界主要科學(xué)中心和創(chuàng)新高地的信心和決心。
我們?yōu)榇蠹規(guī)淼诹锻跞A明：金屬3D打印“智造”大國重器》。
“國產(chǎn)大型客機C919圓滿完成首次商業(yè)飛行！”2023年5月28日，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?！皣a(chǎn)大飛機”成功研發(fā)的背后，有著來自北京科研的貢獻——中國工程院院士、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)的飛機鈦合金等大型復(fù)雜構(gòu)件激光增材制造技術(shù)，僅用55天，就做出了C919機頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框。
這項技術(shù)，也被稱為“金屬3D打印”，是以合金粉末或絲材為原材料，在計算機控制下通過激光逐層掃描，熔化并急冷凝固堆積，實現(xiàn)大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速成形制造。我國運-20運輸機、長征五號B運載火箭、祝融號火星探測器等“大國重器”上，用3D打印技術(shù)制造的大型關(guān)鍵金屬承力構(gòu)件都發(fā)揮著重要作用。
實現(xiàn)金屬構(gòu)件“智造”
在王華明的實驗室，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)。
傳統(tǒng)的金屬鑄造會伴隨著四濺的火星，而在大型金屬構(gòu)件激光3D打印機中，待加工的金屬材料上亮起一陣小“火花”，不到一分鐘，“火花”熄滅，原本光滑的表面上便“長”出了約3毫米高的環(huán)形結(jié)構(gòu)。在這背后，有計算機建模作為“大腦”，對目標零件切片分層，繪制模型圖并生成相關(guān)數(shù)據(jù)；有激光頭發(fā)射激光形成微小的高溫熔池，逐層熔化金屬粉末，堆積形成新的金屬構(gòu)件。
原理聽起來并不復(fù)雜，但圍繞其中的核心關(guān)鍵問題，王華明帶領(lǐng)團隊攻關(guān)了30余年。
鈦合金等高性能大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造是高端重大裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)和核心技術(shù)。傳統(tǒng)的金屬鑄鍛技術(shù)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。即使用世界最大的8萬噸鍛造機鍛造鈦合金零件，最大尺寸也不超過5平方米，無法滿足大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件的生產(chǎn)需求。此前，國際上曾有科研團隊開展過飛機鈦合金構(gòu)件激光增材制造技術(shù)研究，最終因打印構(gòu)件在疲勞等性能方面無法滿足要求而放棄。
1995年，王華明帶領(lǐng)科研團隊正式開啟“金屬3D打印”的研發(fā)之路。小型零件的打印研究很快有了突破，但當零件體積變大，問題隨即出現(xiàn)——零件尺寸越大，內(nèi)部的熱應(yīng)力越高，打印時就越容易變形或開裂，凝固結(jié)晶及冷卻過程控制不好也會導(dǎo)致冶金缺陷。
為了找到變形、開裂的原因，王華明和團隊成員輪班值守在平臺前，24小時不間斷、20多天不停歇，隨時調(diào)整建模數(shù)據(jù)。每一個打印出的金屬構(gòu)件，都必須經(jīng)過嚴格的研制流程檢驗。“未來這些零件都是要裝到重大裝備上的，和安全息息相關(guān)，容不得半點失誤。”
從小零件到“大塊頭”
十年磨一劍，2005年6月，王華明團隊研制出的我國第一個3D打印鈦合金小零件被裝上飛機，金屬3D打印技術(shù)邁出了標志性的一步。但從小零件到“大塊頭”，仍有重重關(guān)卡需要突破。
在國產(chǎn)大飛機C919研制過程中，機頭的風(fēng)擋窗框看起來結(jié)構(gòu)簡單，實際上，其空間形狀極為復(fù)雜，用傳統(tǒng)的鍛造、焊接等方法無法完成。那時，全世界范圍內(nèi)只有歐洲的一家公司能夠鍛造，對方也開出了價格——模具費就要200萬美元，制造周期則要2年。
王華明接下了這項任務(wù)。原本團隊計劃在臘月二十之前完成研制，但各種小問題一個個冒出來，一直拖到了除夕夜。那晚，零件好不容易打印成型，但又大又重的零件沒法放到爐中進行后續(xù)的應(yīng)力處理，堅守在崗位上的團隊成員都一籌莫展。
最終王華明決定，大家都先回家，吃團圓飯。大年初一，他一大早就趕到實驗室，看到的卻是裂成三段的零件?！白黾夹g(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，后續(xù)，團隊成員用一個簡單的物理學(xué)原理化整為零、積零為整，最終實現(xiàn)了內(nèi)應(yīng)力離散，大型構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力大、容易開裂的問題得到了解決。
這個C919上的“大塊頭”，從零件打印、熱處理、測試檢驗到運輸交付，整個制造周期不足55天，成本不足鍛造模具費用的十分之一。
向技術(shù)前沿持續(xù)突破
從火星四濺的金屬冶煉，到激光掃描實現(xiàn)3D打印，跨越數(shù)千年的技法有了新的生命。這項稱得上“神奇”的金屬3D打印技術(shù)，幫助大型關(guān)鍵金屬構(gòu)件制造能力和材料性能水平更進一步，我國成為了世界上唯一一個掌握該技術(shù)，并付諸實際應(yīng)用的國家。
11年前，中共中央政治局以創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略為主題的第九次集體學(xué)習(xí)活動來到中關(guān)村，榮獲了國家科技發(fā)明一等獎的飛機鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)件激光成形技術(shù)，被遴選為第一項重點學(xué)習(xí)調(diào)研內(nèi)容。王華明作為技術(shù)發(fā)明人，在中關(guān)村的這間“課堂”上講解了國內(nèi)、國際3D打印技術(shù)現(xiàn)狀和市場前景?！斑@次的經(jīng)歷，給了我極大的鼓舞，讓我有更大的動力繼續(xù)奮斗在科研的道路上。奮斗很快樂，特別是為國家民族奮斗，榮譽感自豪感自不待言?！?/p>
現(xiàn)在，王華明依舊堅守在科研和教學(xué)一線，在他的實驗室里，“報國使命 創(chuàng)新引領(lǐng) 激情敏行 卓越超越”的16個大字格外顯眼?！翱粗慵駱涿绨l(fā)芽一樣一毫米、一毫米地堆積生長，那種感覺非常奇妙。”他說。
北京的科創(chuàng)環(huán)境，為王華明團隊提供了創(chuàng)新研究的沃土?！霸谌珖秶鷥?nèi)，北京在科技創(chuàng)新上毫無疑問是處在引領(lǐng)位置的?！蓖跞A明認為，這種引領(lǐng)不僅體現(xiàn)在科創(chuàng)力量、科研隊伍、科研平臺等方面，還包括了超前的理念、寬松的環(huán)境、務(wù)實的政策等。在他看來，北京科創(chuàng)的發(fā)展勢頭正勁，未來，北京將成為在世界上具有影響力的、全世界科技人員向往并希望加入的地方。
當下，王華明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。未來，金屬3D打印技術(shù)不僅會改變大型零件制造工業(yè)固有的大、重、貴的面貌，還將會走進千家萬戶。
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