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創新研究院教授王華明帶領團隊，研發出了飛機鈦合金等大型復雜構件激光增材制造技術，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，從而實現大型復雜金屬構件的快速成形制造。
這項技術也常被人們稱作“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、一個大型金屬構件增材制造數控機械平臺，就能完成飛機、發動機、燃氣輪機等重大工業裝備大型復雜關鍵承力結構的快速生產。
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打印技術制造的大型關鍵金屬承力構件。
△大型金屬構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，在現代科學技術的加持下，可能會改變國家重大裝備的未來……”王華明邊帶著記者走向實驗室，邊介紹著這項他稱之為“神奇”的技術。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。”王華明邊說邊按下開門按鈕，一間曾經誕生過多項國家重大發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 創新引領 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人員穿梭在數臺大型機器間，“當心激光”“規范操作”等安全提示語隨處可見。
“這臺大家伙就是大型金屬構件激光3D打印機，專業叫法是‘大型金屬構件激光增材制造裝備’，很多金屬構件就是在這里誕生的。”在一臺約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打印出的金屬構件需要經歷兩個‘生長’階段：先在計算機中建立模型，再通過程序驅動激光逐層掃描熔化，從而構造成形。”
他以任意一個目標零件舉例：首先要繪制模型圖，生成一系列平面數據。“這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，這樣構造出來的金屬實體精度才越高，表面也越光整。”王華明愛打比方，他說，金屬制造研究既需要大量精密數據支撐，也要有豐富的空間想象力，把枯燥的數據在大腦中轉化成形象的圖形。
“如果說前一階段的任務主要靠計算機跑數據，那么最具科技含量的‘重頭戲’就藏在這兒。”王華明賣了個關子，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”。“這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。我們基于前期計算機生成的模型數據，形成數字化加工信息，通過數控系統，指導激光發射并熔化金屬粉末，從而堆積形成新的金屬構件。”他說。
△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，王華明帶領團隊圍繞其核心關鍵問題研究了30余年。
上世紀八九十年代，我國的金屬激光增材制造技術尚未起步，一些世界發達國家雖已經開始探索激光3D打印金屬零件，但始終未能在該領域“激起水花”。資料顯示，美國曾率先開展飛機鈦合金構件激光增材制造技術研究，但由于打印構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“國內零基礎、國外沒走通”的項目下功夫？“任何一項新技術的誕生，背后都反映出舊的技術已經無法滿足人們生產生活需求了。”王華明說，這還得從傳統的金屬鑄鍛技術講起。
鈦合金等高性能大型關鍵金屬構件制造技術，是航空航天等高端重大裝備制造業的基礎和核心技術。采用傳統的金屬鑄鍛技術制造，需要配套齊全的材料冶金和鑄鍛成形等重工業基礎設施，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月甚至數年的時間，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。”王華明說，在3D打印金屬技術之前，大型關鍵金屬構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。”王華明舉了個例子，我們最常見的民航大客機波音737，根據不同型號，機翼翼展在20米至50米不等，如果設計為整體構件，飛機關鍵受力構件尺寸都非常大。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動機葉片時，他發現修復后的葉片性能比原來還要好。“品質更致密、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。”王華明解釋，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，金屬內部的組織就會非常細小，化學成分更均勻，性能自然更好。“當時我就在想，如果完全運用激光熔凝技術制造金屬構件，可能會對大型裝備制造業產生質的影響。”
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科研團隊開始攻關鈦合金、超高強度鋼等高性能金屬大型關鍵構件激光增材制造技術，正式開啟了“金屬3D打印”的研發之路。
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紙大小的次承力構件，我們都高興得不得了。”王華明回憶，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打印金屬構件的體積。
王華明領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十個金屬構件。體積大的需要多人齊心協力才能搬起，小的可以輕松握在手心。“這些金屬構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件前，王華明蹲下身指著前端的不規則接口介紹：“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，但是當采用傳統鑄造技術時，構件變大，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，內部熱應力越高，打印過程越容易變形或開裂；凝固結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打印出的金屬構件，哪怕只是過程性成果，都必須經過嚴格的研制流程檢驗。“別人考核一次，我們得考核十次。”王華明收起微笑，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，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，隨時調整建模數據。由于3D打印工藝難度極大，經常出現好不容易花了10多天打印，但零件內應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，標志著國產大飛機C919圓滿完成首個商業航班飛行。”5月28日中午，看到這條消息在網絡上刷屏，王華明很激動——“C919帶著我們所有人的夢想，真正飛上了藍天。”他介紹，金屬3D打印技術曾在C919的原型機和批產型號的制造中使用。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。
那年春節前，零件的研制即將取得階段性成果。“預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。”王華明回憶，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，將機器上的數控語句及按鈕一個個仔細標注出來，又把設備操作流程手把手教給了值守實驗室的方艷麗。“加上我，團隊技術人員只剩下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力處理，不然零件容易發生開裂。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。”這時，春節的鞭炮聲已經響起，面對終于制造成形的龐然大物，大家卻一籌莫展，內心不知該喜該憂。
“先回家吧。”王華明冷靜了一會兒，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力的方法，只能憑運氣，等著看零件冷卻后的狀態。初一一大早，王華明最早到達實驗室，卻發現零件整整齊齊裂成了三段。
“做技術就是這樣，困難和問題如影隨形。失敗的時候沮喪一會兒，爬起來繼續干。”王華明說，后來團隊又嘗試了多種方法，來解決大型構件內應力大、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，最終實現了內應力離散。
2012年獲國家技術發明一等獎、2013年入選萬人計劃“科技創新領軍人才”、2015年當選中國工程院院士……憑借著鈦合金大型復雜整體構件激光增材制造技術，王華明與團隊收獲了無數掌聲、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海。現在想來，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展的戰略需求和先進材料制造技術國際前沿，開展重大裝備新一代高性能金屬結構件及其大型關鍵構件高效、低成本、高精度增材制造技術研究和應用。
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、控制流動和結晶的狀態，最終發展成一種新的材料，它的強度、韌性、質量、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。“看著零件像樹苗發芽一樣一毫米、一毫米地堆積生長，那種感覺非常奇妙。”他笑著說，科研之路亦是如此，一步一個腳印，保持初心，不驕不躁。
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高經理
