来自北航“激光增材制造”王华明团队的创新经验

《中国科学报》2012年12月5日（记者 钟华）报道：

需求牵引推动跨越式发展

——来自北航“激光增材制造”团队的创新经验

在北京航空航天大学校园北门附近，有一个约1000平方米不起眼的小院子，天天经过门口的学生也对它难有印象。平常院子里偶见研究人员和实验工程技术人员忙碌进出，唯一引人注意的是，这个院子天天彻夜灯火通明。

然而，就是在这个不起眼的小院子里，这几十个人却在做着一种代表着先进制造技术发展方向、在重大装备制造中具有重大应用价值的变革性的制造技术——高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造技术的研究和应用。这个小院子就是北航“先进材料激光制备与成形”实验室。在这里，北航材料学院教授王华明带领他的创新团队，围绕大飞机等国家重大专项及重大装备制造业发展的战略需求，创造了一个又一个奇迹。

在这里，他们在国际上首次全面突破了飞机钛合金等难加工金属大型整体主承力构件激光直接制造工艺、装备和应用关键技术，研发出具有原创核心技术、迄今世界最大的激光直接制造工程成套装备，研制生产出我国飞机装备中迄今尺寸最大、结构最复杂的钛合金等高性能难加工金属关键整体构件，并在我国大型飞机等多型飞机研制和生产中得到实际应用，而我国也因此成为目前世界上唯一突破飞机钛合金大型主承力结构件激光快速成形技术并实现装机应用的国家。

支撑他们辛苦奋斗的动力，就是那一个梦想——“如果有一天，中国飞机上许多关键大型复杂高性能主承力构件都能采用我们激光直接制造技术实现低成本、短周期、快速制造该多好啊！”

【一种做“加法”的材料制备和零件制造一体化工艺】

飞机钛合金大型关键构件的传统制造方法是锻造和机械加工。也就是说，首先要熔铸大型钛合金铸锭、锻造制坯、加工大型锻造模具，然后再用万吨级水压机等大型锻造设备来锻造出零件毛坯，最后再对毛坯零件进行大量机械加工。王华明向记者介绍道，这种传统加工方式是在对材料做“减法”，很多飞机钛合金复杂零件材料利用率不足10%，也就是说不仅90％以上的昂贵钛合金材料都被切削、浪费掉了，而且钛合金切削加工性很差，刀具及加工费用很大。一些大型复杂锻造模具制造只能在国外完成，价格高昂、制造耗时长，严重影响新机型的研发进程。

既然做减法的制造方式耗时费力，王华明他们创新团队则致力于一种做“加法”的高性能金属零件制造方式——通过计算机控制，用激光将合金粉末熔化，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接根据零件CAD模型一步完成大型复杂高性能金属零部件的“近终成形”制造。

这就是高性能金属构件“激光增材制造”技术，它的特点——高性能、低成本、短周期则正好弥补了传统制造方法的不足，而且使得很多传统方法不能做出的构件成为了可能。

【从A4纸到“大个子”的飞跃】

2001年，汤海波考上王华明教授的硕士研究生时，王华明就已经在做激光增材制造技术。“当时王老师提出这个瞄准国家战略需求和国际学科前沿发展方向的研究领域，以及与我国主要飞机设计所、制造公司合作的这种产学研结合的模式，对我们研究生是一种很大的吸引力。”汤海波毫不犹豫地选择了跟随王老师从事这方面的研究，如今他已经博士毕业留校，成为这个团队的骨干力量。

张述泉2003年读硕士正式加入王华明研究团队时，正赶上激光增材制造技术初步工程化阶段。他十分享受带着红外眼镜，守在机器旁看着一个150毫米的小零件在激光中慢慢“生长”出来的过程。

“那时候，七八个小时能做出一个A4纸大小的次承力结构件出来，我们都高兴得不得了。”然而他怎么也没想到，经过近10年的持续努力后，他们将会做出外廓尺寸超过5平方米的飞机高性能钛合金主承力结构件来。

从150毫米到5平方米不仅仅是一个量的飞越，更是质的飞跃，其技术难度可想而知，经历的失败和技术研发的艰辛只有他们能体验和享受！

【国家需求牵引的产学研结合模式】

张述泉将团队的跨越式发展归功于设计所的主导需求牵引的产学研结合模式：“如果当时没有这种产学研结合的模式，没有国家重大需求的牵引主导作用，可能我们的研究进程就比现在慢，需求牵引、产学研融合协同的创新模式也在推动我们跨越式的发展。”

我国自主研发的大型客机C919机头钛合金主风挡整体窗框，尺寸大、形状复杂，是空间双曲面构件。国内的飞机制造厂用传统方法无法做出，只有欧洲一家公司能做出来，但是光每件模具费就要价50万美元，而交货周期还要等两年。2009年王华明团队仅仅用55天时间就做出来，而且零件成本还不足欧洲锻造模具费的十分之一。大型客机研制中央翼一号肋钛合金上缘条，传统锻件毛坯重达超过1600公斤，而采用他们研发成功的激光直接成形技术制造出的精坯重量还不到137公斤，节省钛合金90%以上，切削加工重量还不到锻件的5%！

多年来，团队一直与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、上海飞机设计研究院、中国燃气涡轮研究院、沈阳发动机设计研究所、沈飞公司、西飞公司、航天一院等单位有着紧密的合作。汤海波说，“做科研就是产学研结合，如果没有设计所的配合和主机厂的支持，我们是走不到今天的。如果没有应用，我们就没有发展。产学研紧密结合起到了关键作用，是我们成功不可或缺的条件。”

【创新始于实践】

“王老师不追着国际热点走，而是能够围绕国家重大需求提出既处于国际学科前沿、又具有重大应用价值的研究方向。他有自己的判断，对自己要怎么做有一套完整系统的思路，所以跟着王老师做科研很有意思。”汤海波说。

王华明始终认为所有的创新都是始于对实践和对现有知识的深度认识与灵活应用。要想创新必须脚踏实地，必须结合国家重大战略需求，创造具有实际价值的创新成果。十多年来，他这种追求创新的精神也潜移默化地影响了他的学生们。

如今，团队的高性能金属构件激光增材制造技术已经属于国际领先水平，学校在北京市的大力支持下和中航工业集团公司合作，在北京组建了中航天地激光科技有限公司成果产业化基地，他们正在挑战新的任务——让这项创新技术成果从实验室真正走向工程化和产业化，为国家重大装备制造业技术进步发挥作用。

王教授牛啊，拿了个一等奖。