主题：飞机白菜化？北航大学王华明教授演讲 -- 五藤高庆

2012年6月，对于西北工业大学凝固技术国家重点实验室来说是一段忙碌的日子。3日，中国商用飞机有限责任公司董事长、党委书记金壮龙一行到访，考察为我国大型商用飞机大型钛合金结构件制造而专门建立的激光制造工程中心。金壮龙抚摸着高达3米的激光立体成形C919飞机中央翼缘条，激动地说：“感谢西工大对大飞机事业的支持。”第二天，工业与信息化部苏波副部长视察调研，他兴致勃勃地登上激光制造工程中心6米高的激光立体成形装备，一边仔细观察大飞机钛合金零件的激光立体成形过程，一边向黄卫东教授详细询问激光立体成形的工作原理和技术特点，连声说：“开眼界了。”考察结束后，苏波对陪同参观的西工大校领导说：“我还要特别转达中国商飞对西工大的感谢——感谢西工大对大飞机事业的支持。”同天，参加西北工业大学凝固技术国家重点实验室学术委员会的专家学者们来到激光制造工程中心考察。实验室学术委员会主任、中国工程院副院长干勇院士感慨地说：“太了不起了！西工大太了不起了！激光成形技术达到如此高的水平，在世界上也是首屈一指的。激光成形技术在民机上的应用，将是中国制造领先于世界的标志性成果！”

采用激光立体成形技术来解决飞机大型钛合金结构件制造技术难题，是C919飞机总设计师吴光辉的强烈愿望。钛合金应用量是现代飞机先进性的一个代表性指标，然而，我国在大型钛合金结构件的制造技术能力上同欧美相比还有很大的差距，在满足C919飞机需求方面还存在严重的技术困难。在这个关键时刻，吴总注意到西工大在大型钛合金结构件的激光立体成形技术方面所取得的成就，寄希望于采用这项先进的新技术来解决大飞机制造中面临的困难，同时形成中国大飞机制造具有自主知识产权的特色新技术。吴总找到西工大姜澄宇校长，表达了中国商飞希望西工大给予技术支持的愿望，得到姜校长的积极响应。

受吴总的委托，商飞公司C919飞机负责结构强度的副总设计师周良道一行于2011年1月22日专程到西工大调研考察激光立体成形技术的情况，并商谈为C919 飞机制造大型钛合金结构件的合作。现场考察后，周良道说：“我们找对人了，商飞愿意同西工大通力合作，应用激光成形技术解决C919飞机钛合金结构件的制造问题。”

原来，商飞此前曾经同一些单位在激光成形技术方面有过合作交流，但是不能令人满意，特别是一些技术上的疑问一直未能澄清。对于一种新技术，用户方从谨慎的态度出发，必然会有很多疑问，不澄清所有的疑问，新技术是难以得到应用的。特别是大型商用飞机，应用上的绝对安全性要求技术上的高度可靠性，容不得技术上有任何含糊。心中诸多疑问完全释然的周良道，下决心同西工大合作，采用激光成形技术制造C919大飞机大型钛合金结构件。3月15日，双方成立联合工作团队，开展C919飞机大型钛合金结构件激光立体成形制造的技术攻关，并按C919飞机的研制节点确定了详细的工作计划，正式进入项目实施。

于是，学校迅速启动了有效的工程化研究和产业化转化的机制，提供了一块2500平方米的场地建立了西工大激光制造工程技术中心，以技术入股，引入民间资本建立了铂力特激光技术有限公司，为工程化研究的效率和质量提供了机制上的保证。过去，凝固技术国家重点实验室的激光成形设备可成形的最大零件是1.2米，而中国商飞要求制造的最大钛合金结构件接近3米，设备的尺寸和激光器功率都必须大大扩展。凝固技术国家重点实验室激光成形研发团队，以只争朝夕的精神，在一片废墟似的场地建设现代化的工程研究中心，同步进行新的大型设备的安装调试，只用了3个月的时间。

凝固技术国家重点实验室自1995年以来的潜心研究，已奠定了坚实的科学理论基础，用大量发明专利和详实的实验数据证实了其技术上的可用性，用已经达到世界先进水平和中国唯一商用化的装备技术保证了其实施的可行性，用在航空、航天、机械、医学等领域的大量应用案例激发了科技界和工业界的强烈兴趣。然而，相对大飞机的应用需求，这些都还只是促使中国商飞下决心应用激光立体成形技术的“基础”。要在大飞机上真正应用一项新技术，还要跨过很多关口。无论过去有多少数据和案例支持，都不构成一项新技术在飞机制造上应用的直接依据。

中国商飞的第一个考试，是“五项性能测试”。这是采用飞机将来实际应用的真实材料，在非常接近服役状态条件下的材料和结构的进行一些代表性的力学性能测试。“考试”的结果令中国商飞非常满意，周良道副总设计师的评价是“略好于锻件”。这是一个令黄卫东团队激动不已的高度评价。黄卫东过去一直谨慎地评价激光立体成形金属件的性能是“相当于锻件”。须知锻件一般代表了金属结构件的最高力学性能，但是其他一些单位的“五项性能”，在十分关键的疲劳强度上的数据分散性明显大于锻件，这曾经是中国商飞对应用激光立体成形技术有所担心的问题。现在，实验室样品优异的性能数据完全打消了中国商飞对激光成形件性能可靠性曾经的担心。

中国商飞还有第二件担心的事情。在时间极度紧张的情况下，西工大能按C919飞机研制的节点按时成形出满足质量要求的大型钛合金结构件吗？零件的变形问题是否能够可靠解决？因为中国商飞要求生产的激光成形钛合金结构件，都是大型薄壁零件，而激光成形过程零件不可避免地要经历极高的温度梯度，这是导致成形件变形的最难以控制的因素。在这样一个考验面前，实验室交出了一份令中国商飞十分满意的答卷。2012年除夕早晨，经过数月24小时三班倒夜以继日的设备调试和工艺攻关，第一个近3米高的C919飞机中央翼缘条非常漂亮地成形出来。消息传到中国商飞，吴光辉总设计师给西工大翁志黔副校长打电话表示衷心的祝贺。在黄卫东团队年三十的中午的团年饭局上，已经85岁高龄的金属加工界泰斗周尧和院士也特别赶来参加这顿特殊的团年饭，以此向攻关团队表示衷心的祝贺。后来，这个成品在放置了一个月之后，最大变形量小于0.8毫米，表明成形精度和变形控制都达到了极高的技术水平。

经历过这样两次近于满分的“考试”之后，中国商飞彻底放心了，在C919飞机制造中应用激光立体成形新技术，也就没有了技术上的障碍。2012年5月20日，吴光辉总设计师专程来到西工大激光制造工程中心，对实验室在这次技术攻关中建立起来的工程化研究和产业化转化机制给予高度的肯定，对于激光成形在提高中国大飞机制造的材料国产化率方面的贡献寄予深切的期望。

1995年，黄卫东在科研中产生了关于快速成形技术的一个新构思：把快速原型制造的增材成形原理和同步送粉激光熔覆相结合，形成一种快速成形高性能致密金属零件的新技术，用于直接制造可以承载高强度的力学载荷的金属结构件。黄卫东注意到，当时“快速成形”=“快速原型制造”，但两者的内涵其实并不相同。增材制造作为一种快速成形原理，没有理由说它只能用于原型制造，而不能制造可以直接承载高强度力学载荷的金属结构件。

但当黄卫东同快速成形领域的专家们交流构思时，专家们却是一致地表示怀疑，不相信快速成形技术可以制造像铸件和锻件那样高力学性能的致密金属零件！黄卫东根据自己的专业知识，坚信采用同步送粉激光熔覆技术完全可以做出力学性能非常高的金属零件。于是，他安排博士研究生李延民开始进行激光立体成形的技术基础——多层激光熔覆的探索性研究。初步结果令人鼓舞，在金相显微镜下竟然难以分辨多层激光熔覆形成的金属块的分层结构，说明材料结合得非常好，确实形成了一个致密的整体。

1997年，航空科学基金首次设立重点项目，黄卫东教授题为“金属粉材激光熔凝的显微组织与力学性能研究”的项目申请通过函评，在会审会上，黄卫东的激光立体成形新设想，在评审组长，中国著名激光焊接专家左铁钏教授的力挺下得以通过。同年，激光定向凝固研究项目获得国家自然科学基金的资助。这是中国在激光立体成形领域最早的正式立项的科研项目。李延民以激光立体成形作为研究内容的博士论文让他在2001年获得博士学位，成为中国第一位专门研究激光立体成形技术的博士。毕业后即被美国GE公司中国研究中心招募，为该中心创建了激光立体成形技术研究部门。

2000年以后，863计划、973计划、国家自然科学基金重点项目等也开始对激光立体成形立项支持。2001年，黄卫东团队关于“高性能复杂金属零件的激光快速成形技术”的研究项目申请获得国家863计划的支持。

863项目的研究成果，很快就在我国新型航空发动机的研制中做出重要贡献。到该发动机装机试车的时间节点时，采用铸造技术研制的一个关键零件始终未能合格，使得发动机无法按时装机试车。利用863项目研究所获得的技术成果，黄卫东团队采用激光立体成形技术研制的零件保证了发动机的装机试车。

2001年，黄卫东教授团队申请了中国第一批关于激光立体成形的源头创新专利。至今已获授权激光立体成形的材料、工艺和装备相关的国家发明和实用新型专利12项。

2002年和2006年，西工大与中国人民解放军第四军医大学口腔医院合作，先后获得863计划的连续支持，开展口腔金属修复体和梯度生物活性材料的激光立体成形研究，其中激光立体成形的口腔钛基金属修复体已通过临床试用，激光成形制备的钛/生物陶瓷梯度复合材料也通过了动物植入测试。激光立体成形技术在医学领域的应用，是黄卫东和他的团队所看好的下一个研究重点。实际上，这项工作早在1995年就起步了。那年四医大口腔医院的王忠义教授带领他的几个博士研究生到实验室探讨口腔医学与材料加工领域的合作机会。黄卫东提出的激光立体成形的技术构思引起了王忠义教授的高度兴趣。当他的一位博士生高勃完成博士学位论文之后，王忠义就建议他到西北工业大学作博士后研究工作，由此启动了长达十几年至今的口腔植入体激光成形研究工作。高勃博士如今已是四医大的教授、博士生导师，口腔植入体的激光成形研究成了他的主要科研方向。

航空航天和大型机械装备关键零件的高性能修复，是激光立体成形技术的又一个重要应用领域。2003年，黄卫东教授到成都飞机公司去进行有关激光立体成形的学术交流。成飞科技部的部长说，我们更关心高端零件的修复。在飞机零件的加工过程中，不可避免常常因为各种原因形成的零件缺陷而导致报废，由于飞机关键零件对性能可靠性的要求极高，因此一般不允许修复使用。一些大型零件的价格往往上百万元或数百万元，其报废导致的经济损失极为高昂。更为要紧的是，有的关键零件的加工周期很长，重新制造将需要很长的时间，往往引起飞机研制进度拖延。因此，如果有高性能修复技术能使这些零件起死回生，将是极有价值的。成飞迅即立项，委托实验室研究飞机大型关键零件的激光修复。由于激光修复技术的价值已得到证实，成都飞机公司、西安航空发动机公司和某飞机修理厂都已购买了西工大为他们的重要产品专门研制的激光修复设备。其中有的设备可以修复数米大的飞机零件。

装备技术是激光成形团队一个极为重要的研究内容。先进的技术离不开装备的支持，技术的成熟性最终要以工艺和装备的完整性和成套性来体现。黄卫东团队从研究伊始就非常注重激光立体成形设备的研发。从最初只是研制实验室必不可少的装备，到提供工业企业商用。2007年，研制出国内首套商用LSF-Ⅲ型激光立体成形制造装备，迄今已为中国航天科工集团、西安航空发动机公司、成都飞机制造公司等5家国内外企业提供商用激光立体成形与修复再制造装备。目前国际上能够提供产业使用的激光立体成形装备的代表性公司有美国的Optomec公司，POM公司，德国的Trumpf公司，国内仅西北工业大学提供了商用装备。一家国际著名激光加工装备制造公司的销售人员说：“看来我们只能放弃与你们竞争，转为合作。”中国商飞与实验室的合作，就是缘于吴光辉总设计师在航天科工集团看到实验室研制的激光成形装备。

装备研究是凝固技术国家重点实验室最重要的研究传统之一，凝固技术国家重点实验室目前80%以上居于国际前沿的先进装备都是实验室人员独立研发出来的。不过，激光立体成形装备毕竟与传统的凝固装备不同，特别是涉及到了激光器的精确控制、零件的三维造型和剖分、环境气氛的精确控制、以及材料送进方式等，都对装备在系统设计和制造方面提出了非常高的要求。为了解决这些问题，团队成员分工协作，一遍遍地查资料，一遍遍地做测试，一遍遍地检查，一点点地琢磨，常常为了一个问题的解决通宵达旦地工作，最终硬是凭着不懈的努力，把一个个难题啃了下来。就拿材料送进系统来说，初看似乎是一个简单的东西，把粉末送出来就行。但是对于激光立体成形来说，一方面要求必须具有充足的送粉量，这要求送粉管不能太细，另一方面还要求送出的粉末流直径要和激光束斑的直径相当，并准确投射到激光形成的小熔池中，以保证沉积效率和成形几何和表面精度。开始的时候采用的是热喷涂的送粉喷嘴，送粉量是足够了，但是送出的粉末流直径达到了近10毫米，而早期中等功率可用的激光束斑直径通常也就是2—3毫米，也就是说，在成形过程中粉末被大量散失掉了。这一方面使得成形效率大大降低，另一方面散失的粉末粘在熔池以外的零件表面上，搞得零件表面坑坑洼洼。直到有一天，团队里一个原来搞航空发动机气动设计的人员在做实验时发现了这个问题，指出送粉喷嘴必须要做气动设计，才可能控制粉末束的流态。为此，大家啃起了气动原理资料，学习从发动机气动原理到高速风洞的流道设计的相关知识，找到了喷嘴设计的气动原理。经过了一次次的失败，终于将粉末流直径从近10毫米减小到了近1毫米，大大提高了送进系统的粉末汇聚性和流量稳定精度，使得采用该送粉喷嘴制备零件的成形精度和表面光洁度达到了国际先进水平。像这样刻苦攻关解决的问题还包括过程监测和反馈控制系统、气氛控制系统、成形CAPP/CAM及集成控制软件等。所研制的装备能够实现各种金属材料，包括高活性的钛合金、锆合金和铝合金的复杂结构零件的无模具、快速、近净成形以及修复再制造。

到2007年，黄卫东与团队骨干合作撰写并出版了本领域中国首部专著《激光立体成形》，这也是国际上第二部涉及激光立体成形的专著；2008年，高性能致密金属零件激光立体成形理论、技术与装备获得陕西省科学技术一等奖。