華明團(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。

“國(guó)產(chǎn)大型客機(jī)C919圓滿完成首次商業(yè)飛行！”2023年5月28日，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)?！皣?guó)產(chǎn)大飛機(jī)”成功研發(fā)的背后，有著來自北京科研的貢獻(xiàn)——中國(guó)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(tuán)隊(duì)研發(fā)的飛機(jī)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(jī)頭鈦合金主風(fēng)擋整體窗框。

這項(xiàng)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(jì)算機(jī)控制下通過激光逐層掃描，熔化并急冷凝固堆積，實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速成型制造。我國(guó)運(yùn)—20運(yùn)輸機(jī)、長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭、祝融號(hào)火星探測(cè)器等“大國(guó)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(shí)現(xiàn)金屬構(gòu)件“智造”

在王華明的實(shí)驗(yàn)室，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(huì)伴隨著四濺的火星，而在大型金屬構(gòu)件激光3D打印機(jī)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(zhǎng)”出了約3毫米高的環(huán)形結(jié)構(gòu)。在這背后，有計(jì)算機(jī)建模作為“大腦”，對(duì)目標(biāo)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(tuán)隊(duì)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(zhǎng)、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(jī)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(guó)際上曾有科研團(tuán)隊(duì)開展過飛機(jī)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(tuán)隊(duì)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(dāng)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(shí)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(huì)導(dǎo)致冶金缺陷。

為了找到變形、開裂的原因，王華明和團(tuán)隊(duì)成員輪班值守在平臺(tái)前，24小時(shí)不間斷、20多天不停歇，隨時(shí)調(diào)整建模數(shù)據(jù)。每一個(gè)打印出的金屬構(gòu)件，都必須經(jīng)過嚴(yán)格的研制流程檢驗(yàn)。“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(diǎn)失誤。”

從小零件到“大塊頭”

十年磨一劍，2005年6月，王華明團(tuán)隊(duì)研制出的我國(guó)第一個(gè)3D打印鈦合金小零件被裝上飛機(jī)，金屬3D打印技術(shù)邁出了標(biāo)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(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919研制過程中，機(jī)頭的風(fēng)擋窗框看起來結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)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(shí)，全世界范圍內(nèi)只有歐洲的一家公司能夠鍛造，對(duì)方也開出了價(jià)格——模具費(fèi)就要200萬美元，制造周期則要2年。

王華明接下了這項(xiàng)任務(wù)。原本團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在臘月二十之前完成研制，但各種小問題一個(gè)個(gè)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(jìn)行后續(xù)的應(yīng)力處理，堅(jiān)守在崗位上的團(tuán)隊(duì)成員都一籌莫展。

最終王華明決定，大家都先回家，吃團(tuán)圓飯。大年初一，他一大早就趕到實(shí)驗(yàn)室，看到的卻是裂成三段的零件。“做技術(shù)就是這樣，困難和問題如影隨形。失敗的時(shí)候沮喪一會(huì)兒，爬起來繼續(xù)干。”王華明說，后續(xù)，團(tuán)隊(duì)成員用一個(gè)簡(jiǎn)單的物理學(xué)原理化整為零、積零為整，最終實(shí)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(gè)C919上的“大塊頭”，從零件打印、熱處理、測(cè)試檢驗(yàn)到運(yùn)輸交付，整個(gè)制造周期不足55天，成本不足鍛造模具費(fèi)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(shí)現(xiàn)3D打印，跨越數(shù)千年的技法有了新的生命。這項(xiàng)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(jìn)一步，我國(guó)成為世界上唯一一個(gè)掌握該技術(shù)，并付諸實(shí)際應(yīng)用的國(guó)家。

11年前，中共中央政治局以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略為主題的第九次集體學(xué)習(xí)活動(dòng)來到中關(guān)村，榮獲了國(guó)家科技發(fā)明一等獎(jiǎng)的飛機(jī)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(xiàng)重點(diǎn)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(guó)內(nèi)、國(guó)際3D打印技術(shù)現(xiàn)狀和市場(chǎng)前景?！斑@次的經(jīng)歷，給了我極大的鼓舞，讓我有更大的動(dòng)力繼續(xù)奮斗在科研的道路上。奮斗很快樂，特別是為國(guó)家民族奮斗，榮譽(yù)感自豪感自不待言?！?/p>

現(xiàn)在，王華明依舊堅(jiān)守在科研和教學(xué)一線，在他的實(shí)驗(yàn)室里，“報(bào)國(guó)使命?創(chuàng)新引領(lǐng)?激情敏行?卓越超越”的16個(gè)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(zhǎng)，那種感覺非常奇妙?！彼f。

北京的科創(chuàng)環(huán)境，為王華明團(tuán)隊(duì)提供了創(chuàng)新研究的沃土?！霸谌珖?guó)范圍內(nèi)，北京在科技創(chuàng)新上毫無疑問是處在引領(lǐng)位置的。”王華明認(rèn)為，這種引領(lǐng)不僅體現(xiàn)在科創(chuàng)力量、科研隊(duì)伍、科研平臺(tái)等方面，還包括了超前的理念、寬松的環(huán)境、務(wù)實(shí)的政策等。在他看來，北京科創(chuàng)的發(fā)展勢(shì)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(dāng)下，王華明團(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(huì)改變大型零件制造工業(yè)固有的大、重、貴的面貌，還將會(huì)走進(jìn)千家萬戶。