：電子束加工技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù)，在材料表層改性、打孔、焊接等方面已成為不可缺少的特種加工手段之一。然而這只是其應(yīng)用的一部分，還有巨大的潛力待挖掘。您近年來年發(fā)表的論文中采用電子束對TC21鈦合金進(jìn)行表層改性并取得了較好的效果。請簡單為我們介紹一下，電子束表層改性的應(yīng)用優(yōu)勢及其應(yīng)用領(lǐng)域。

高玉魁：表層改性近年來得以重視，一方面是因?yàn)楸韺蛹庸べ|(zhì)量不僅影響制造加工尺寸精度、紋理度、粗糙度和光潔度，而且還直接決定了零部件的抗疲勞、耐腐蝕及磨損等使用性能。這里談表層改性，主要是體現(xiàn)出改性層的深度和梯度特性。近年來電子束表層改性技術(shù)因能量利用率高、真空下無氧化或污染、便于精確控制等而被重視得以研發(fā)并逐漸應(yīng)用到以下領(lǐng)域：

（1）拋光與凈化。絕大多數(shù)零部件失效是由于其表層失效造成的，提高材料的表層性能，是延長零部件使用壽命、合理配置性能、保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定服役的關(guān)鍵。而拋光處理是材料表面加工的關(guān)鍵工序，所以各工業(yè)發(fā)達(dá)國家均深入地開展了這方面的研究。目前，對材料表面拋光的主要方法有機(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)機(jī)械拋光、化學(xué)拋光、激光拋光等。機(jī)械拋光是目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的加工方法，并將在很長一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)地位，但其速率較低且成本高，此外機(jī)械拋光產(chǎn)生的熱量和振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致工件形成加工硬化形變層及殘余拉應(yīng)力。電解拋光可以增加工件表面抗腐蝕性且成本低廉，主要應(yīng)用于原始表面粗糙度較低的金屬制品，但電解拋光質(zhì)量與電解液及電流電壓的規(guī)范有關(guān)，需要經(jīng)過大量試驗(yàn)獲得，所以難以廣泛應(yīng)用?；瘜W(xué)機(jī)械拋光引起的沖擊與振動(dòng)有時(shí)會(huì)使工件受損。激光拋光易在表層形成氧化或造成某些相的脆化，難以大量投入實(shí)際生產(chǎn)。電子束拋光技術(shù)是21世紀(jì)出現(xiàn)的新型材料表層改性技術(shù)，它是用高密度能量的電子通過聚焦形成電子束轟擊材料表面，而使其表層熔化或蒸發(fā)從而獲得粗糙度較低、雜質(zhì)較少且力學(xué)性能較好的加工技術(shù)。傳統(tǒng)拋光主要針對形狀簡單的平面進(jìn)行，電子束拋光可以應(yīng)用于曲面、軸承甚至一些孔的拋光，是一種很有應(yīng)用前景的新型材料表面加工技術(shù)。當(dāng)然，事物均具有兩面性，電子束拋光和凈化改性也有其短板，抽真空，零部件不宜太大等，對于電子束拋光與凈化的表層改性仍然需要進(jìn)一步的不斷深入研究才能加強(qiáng)其工程應(yīng)用。

（2）修復(fù)與表層再制造。電子束能量密度高、控制靈活、重復(fù)性好，能夠精確控制表面溫度和穿透深度，在真空條件下，對金屬保護(hù)好，是較好的表面修復(fù)方法。當(dāng)表面出現(xiàn)微小裂紋時(shí)，用電子束對工件表面進(jìn)行加熱，使其表面在瞬間處于熔化狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)裂紋愈合和損傷得以修復(fù)，根據(jù)裂紋深度來控制電子束的穿透深度，可實(shí)現(xiàn)對工件損傷表面的局部修復(fù)。而且在金屬構(gòu)件的維修過程中，不破壞材料的整體性能。此外電子束還可對涂層、鍍層或覆層進(jìn)行封孔致密化及二次熔融的再制造加工，這可以改善涂鍍覆層的使用性能。

（3）殺菌消毒。在食品、醫(yī)療領(lǐng)域的殺菌加工處理中，電子束滅菌的應(yīng)用尤為活躍，很有希望取代從20世紀(jì)30年代以來延續(xù)至今的γ射線殺菌及環(huán)氧乙烷殺菌技術(shù)。

電子束加工技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)㈦S著研究的深入而不斷拓寬，前景值得期待。

高玉魁：20世紀(jì)60年代到90年代發(fā)生的14起航空發(fā)動(dòng)機(jī)重大事故中，13起源自關(guān)鍵構(gòu)件發(fā)生疲勞失效。20世紀(jì)80年代，機(jī)翼主梁疲勞裂紋故障導(dǎo)致3000架飛機(jī)停飛。飛行器事故和故障的分析表明，疲勞破壞大都起源于工作應(yīng)力高、形狀復(fù)雜、工作條件惡劣的零部件表面或接近表面的部位。這個(gè)問題起先并未被人們所認(rèn)識，設(shè)計(jì)和修理人員只是單純地選擇高強(qiáng)度的材料或增加零件的斷面面積。這樣既提高了成本又增加了重量，還不能從根本上防止事故的發(fā)生。隨著人們對表面完整性的認(rèn)識，表層改性技術(shù)所體現(xiàn)出來的巨大價(jià)值逐漸為大家所認(rèn)同。通過噴丸強(qiáng)化、激光沖擊強(qiáng)化、滾壓、擠壓、三束高能改性、復(fù)合強(qiáng)化等工藝提高材料的抗疲勞性能，從而達(dá)到延壽的目的。

航天與航空在這個(gè)認(rèn)知上還是有差別的，在以前，航天中的產(chǎn)品大多為一次性的，不存在疲勞失效這樣的問題，但是隨著空間站等項(xiàng)目的進(jìn)行，零部件的使用壽命問題被列入關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，在不增加重量的情況下提高零部件的使用性能，尤其是服役壽命，那么表層改性技術(shù)就成為了首選。

如果材料本身沒有問題，疲勞其實(shí)說到底就是表面層的加工問題和裝配時(shí)的連接問題，當(dāng)前還有一個(gè)突出的問題是缺少相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范，對工藝的檢測結(jié)果也缺少判斷依據(jù)和參考體系，需要制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范和約束制造工藝和流程，這樣有了要求才能指導(dǎo)零部件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。

：您多次提到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定的重要性和緊迫性，有關(guān)材料加工工藝參數(shù)和工序的優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)化在工程應(yīng)用中體現(xiàn)了怎樣的價(jià)值？

高玉魁：一個(gè)著名公司的核心競爭力一方面是體現(xiàn)在專利技術(shù)的創(chuàng)新上，另一方面就是該公司制定的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范的水平。一個(gè)加工工藝往往由多道工序構(gòu)成，生產(chǎn)中要進(jìn)行細(xì)化并逐一規(guī)范，既要充分考慮材料自身的加工特點(diǎn)，也要結(jié)合零部件的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)條件，這樣才能充分發(fā)揮材料自身優(yōu)勢，加工出具有預(yù)期使用性能的高端裝備。如航空工業(yè)大量采用的鈦合金，強(qiáng)度高、密度小、機(jī)械性能、韌性和抗蝕性能好，但工藝性能差、切削加工困難，尤其是導(dǎo)熱系數(shù)小，在加工過程中很容易破壞材料的完整性。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)為 15.24W/(m·K)，僅為鎳的 1/4、鐵的1/5，鋁的1/14，因此其加工過程中產(chǎn)生的熱不易傳出，往往集中在某些較小區(qū)域內(nèi)，導(dǎo)致局部溫度很高，造成α相脆化或燒傷。鈦合金的燒傷與鋼的燒傷有所不同，鋼燒傷表面會(huì)有裂紋和表層脫碳硬度減低，便于檢測，而鈦合金燒傷無法通過肉眼從表面觀察到，也無法通過硬度來判斷。有一個(gè)很典型的案例是某工廠為加快鈦合金構(gòu)件制造進(jìn)度，增加了對鈦合金的切削速度，致使加工區(qū)域溫度升高，使鈦合金葉片表層出現(xiàn)燒傷，產(chǎn)生α相脆化，但檢測過程中形狀尺寸是沒有異常的，繼而對這批鈦合金構(gòu)件進(jìn)行噴丸強(qiáng)化處理，當(dāng)施加疲勞載荷時(shí)發(fā)生了提前斷裂而報(bào)廢，在分析其斷裂原因時(shí)曾懷疑是噴丸強(qiáng)化參數(shù)不當(dāng)所造成的，但進(jìn)一步通過掃描電鏡觀察分析發(fā)現(xiàn)，造成其斷裂的原因是表面燒傷α相脆化導(dǎo)致的裂紋。從這個(gè)案例可以看出，雖然有時(shí)投入大量的人力、財(cái)力、物力來加工產(chǎn)品，但最后卻沒有達(dá)到預(yù)期的使用性能，這就說明了一個(gè)問題：對關(guān)鍵工藝參數(shù)域的控制沒有引起足夠的重視，也缺少從工程應(yīng)用角度對材料加工的系統(tǒng)研究，對于某些材料或結(jié)構(gòu)，加工時(shí)該慢的時(shí)候就需要慢下來，不能浮躁地只追求進(jìn)度。

為使材料充分發(fā)揮其性能，在加工過程中，必須重視對重要構(gòu)件關(guān)鍵工藝參數(shù)域的控制。尤其是疲勞關(guān)鍵件，采用表層強(qiáng)化處理，對疲勞強(qiáng)度的提高可達(dá)40%，這比更換新材料要更有意義。因?yàn)榧词雇度氪罅控?cái)力物力和人力來發(fā)明一種新材料，其疲勞強(qiáng)度比已有性能提高10%都很困難，從某種意義上說工藝的改進(jìn)對材料性能的提高遠(yuǎn)比研發(fā)新材料要容易得多。國外發(fā)達(dá)國家之所以能夠生產(chǎn)高端產(chǎn)品都得益于重視制造技術(shù)和不斷提高工藝水平，制造造就實(shí)業(yè)，美國近年來也提出了回歸制造強(qiáng)國的規(guī)劃。

：您目前主持的科研項(xiàng)目有哪些？科研過程中有哪些感受？

高玉魁：現(xiàn)主持的主要科研項(xiàng)目有國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“激光沖擊作用下金屬材料殘余應(yīng)力場的響應(yīng)規(guī)律和強(qiáng)化效應(yīng)”、國家冷軋板帶制備及工藝工程技術(shù)研究中心開放課題“TWIP鋼軋制過程組織及殘余應(yīng)力演化規(guī)律研究”、中央高?；緲I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目“航空高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)材料的表面強(qiáng)化理論和試驗(yàn)驗(yàn)證”、“高強(qiáng)度鈦合金和鋁鋰合金的表面強(qiáng)化與殘余應(yīng)力研究”、“航空鈦合金材料噴丸及孔擠壓強(qiáng)化處理”、“航空高強(qiáng)鋼強(qiáng)化處理及強(qiáng)化層殘余應(yīng)力研究”等。做科研和工程應(yīng)用是相輔相成的，高校不能投入大筆經(jīng)費(fèi)去做實(shí)踐研究，而企業(yè)有現(xiàn)成的資源；有時(shí)候在企業(yè)困擾他們很久的問題，有可能在高校這只是一個(gè)小案例，碰撞才能產(chǎn)生火花。由于以前的工作經(jīng)歷，我與企業(yè)工程技術(shù)人員之間的交流較多，經(jīng)常的探討有助于盡快解決問題，在專業(yè)深度上共同進(jìn)步，通過這些項(xiàng)目的研究，越來越意識到表面完整性及表層改性技術(shù)的重要性，它是高端裝備實(shí)現(xiàn)服役壽命和性能的可靠保障，也是實(shí)現(xiàn)我國制造強(qiáng)國夢的途徑。

：您在北京航空材料研究院從事航空航天零部件的表面強(qiáng)化與表面完整性研究12年，然后再加入同濟(jì)大學(xué)，這不同的經(jīng)歷對您的教育觀點(diǎn)有什么影響？

高玉魁：教學(xué)相長，不同的經(jīng)歷、科研的成果及積累的經(jīng)驗(yàn)對教學(xué)很有幫助，同時(shí)教學(xué)時(shí)思考的全面性、系統(tǒng)性，對學(xué)生問題的梳理，一些教學(xué)方面的進(jìn)展也對提高科研水平大有益處。我主要從以下來談?wù)劜煌慕?jīng)歷給我?guī)淼囊稽c(diǎn)啟發(fā)：

（1）大學(xué)的教學(xué)模式必須從填鴨式教育轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)式教育。大學(xué)之所以是大學(xué)，這就說明大學(xué)教育是與中小學(xué)教育有著重要區(qū)別。大學(xué)教育對學(xué)生更多的是引導(dǎo)他們?nèi)ニ伎?，發(fā)現(xiàn)知識點(diǎn)，探索問題并分析原因以解決問題和形成自己的知識體系，而不是像中小學(xué)教育來填鴨和灌輸知識。我在給學(xué)生講授《飛機(jī)的疲勞與斷裂》課程時(shí)，會(huì)把學(xué)生分成小組，讓他們大量查閱資料和閱讀文獻(xiàn)，查找飛機(jī)疲勞失效事故案例，分析原因并提出看法，這樣一方面是充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、積極性和激發(fā)大家思考問題，另一方面也讓學(xué)生通過調(diào)研的圖片視頻資料增加對疲勞失效的認(rèn)識，理論與實(shí)踐相結(jié)合，不斷引導(dǎo)學(xué)生去發(fā)現(xiàn)問題、思考問題，雖然學(xué)生不一定都能提出正確的解決問題的方法，但是這種團(tuán)隊(duì)鉆研的精神和探索討論分析問題的能力是應(yīng)該具備的。

（2）教育和科研都不能完全照搬書本上的理論，要相信書本但也要跳出課本，對實(shí)際問題實(shí)際分析。如單晶葉片的噴丸問題，曾因擔(dān)心其再結(jié)晶而一度不被采用。其實(shí)單晶葉片榫頭部位與渦輪盤榫齒相連接，即使噴丸強(qiáng)化處理因其使用溫度低于再結(jié)晶溫度，所以榫頭的噴丸強(qiáng)化不僅不會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，還會(huì)提升它的疲勞性能。最終通過研究，我把噴丸應(yīng)用到了單晶葉片零部件上，提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的微動(dòng)疲勞抗力。

（3）師徒制存在的必要性。目前我感到師傅帶徒弟這種關(guān)系的存在對于提升我國的制造水平非常必要。師傅帶徒弟這種關(guān)系尤其是優(yōu)秀的師徒，將是一種技術(shù)的傳承，師傅如將積累了數(shù)十年的還未轉(zhuǎn)換成科學(xué)數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)傳授給徒弟，相應(yīng)也是對剛?cè)胄心贻p人的一種指導(dǎo)和幫助，更是年輕人提高的重要途徑。年輕人總不缺乏探索精神（笑），但缺少吃苦精神也不愿吃虧，有時(shí)也沒有團(tuán)隊(duì)意識。通過師徒制在工廠公司的推行，不僅激勵(lì)師傅精益求精加強(qiáng)制造技術(shù)的提升，也將培養(yǎng)一代青年人才，讓他們熱愛制造，樂于探索，成為制造大師或工匠。

我目前也在積極學(xué)習(xí)和探索國外航空航天專業(yè)的課程設(shè)置與學(xué)科內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)一些與國內(nèi)課程設(shè)置的不同之處，如國外教材對興趣培養(yǎng)非常重視，而且多數(shù)是深入淺出，教育就是廣取精華，這樣在人才培養(yǎng)方案上才能更趨合理?？蒲惺且环N深入探索，教育培養(yǎng)下一代也需要像科研一樣去不斷探索，這不僅體現(xiàn)在航空航天的高技術(shù)領(lǐng)域，而且對整個(gè)制造行業(yè)的教育來說都非常重要。去年我非常有幸參與編寫了教育部的《制造業(yè)人才發(fā)展規(guī)劃（2016～2020年）》并最終在北京通過了國家制造強(qiáng)國領(lǐng)導(dǎo)小組的審批。