近日，由北京市委宣傳部、北京市科委聯(lián)合主辦，北京科技協(xié)作中心、首都科技服務(wù)業(yè)協(xié)會(huì )與北京電視臺承辦的“推動(dòng)‘北京創(chuàng )造’的科技人物——2014首都科技盛典”在北京電視臺舉行。

據悉，這20位獲獎人物平均年齡48.5歲，均工作在科研第一線(xiàn)，研發(fā)專(zhuān)業(yè)涵蓋七大戰略新興領(lǐng)域。2014首都科技盛典通過(guò)弘揚他們甘于奉獻、勇于創(chuàng )新的精神，突出科技成果帶來(lái)的巨大變化，讓全社會(huì )感受到科技的強大力量。

其中北京航空航天大學(xué)教授王華明也獲得推動(dòng)“北京創(chuàng )造”的科技人物榮譽(yù)。王華明在國際上首次全面突破飛機鈦合金、超高強度鋼等難加工大型復雜整體主承力構件激光成形關(guān)鍵技術(shù)，并建立完整標準體系，研制出了迄今世界最大的激光成形工程化成套裝備，使我國成為迄今世界上唯一突破該技術(shù)并實(shí)現裝機工程應用的國家。研究出三大系列激光熔覆特種耐磨涂層新體系，該項技術(shù)已應用于航空發(fā)動(dòng)機的多個(gè)產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)，在高濃度鐵礦漿高壓長(cháng)距離輸運管線(xiàn)上使用。

榮獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎

2012年度國家科學(xué)技術(shù)獎勵出臺，根據《國家科學(xué)技術(shù)獎勵條例》的規定，經(jīng)國家科學(xué)技術(shù)獎勵評審委員會(huì )評審、國家科學(xué)技術(shù)獎勵委員會(huì )審定和科技部審核，國務(wù)院批準并報請國家主席胡錦濤簽署，授予鄭哲敏院士、王小謨院士2012年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎；國務(wù)院批準，授予“水稻復雜數量性狀的分子遺傳調控機理”等41項成果國家自然科學(xué)獎二等獎，授予“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術(shù)”等3項成果國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎，授予“修復周?chē)窠?jīng)缺損的新技術(shù)及其應用”等74項成果國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎，授予“嫦娥二號工程”等3項成果國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎特等獎，授予“盾構裝備自主設計制造關(guān)鍵技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”等22項成果國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎一等獎，授予“特色熱帶作物種質(zhì)資源收集評價(jià)與創(chuàng )新利用”等187項成果國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎二等獎，授予美國化學(xué)家理查德·杰爾等5名外國專(zhuān)家中華人民共和國國際科學(xué)技術(shù)合作獎。

北京航空航天大學(xué)教授王華明以“飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術(shù)”獲國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。

王華明，北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院材料加工工程系主任、材料加工工程學(xué)科責任教授、“長(cháng)江學(xué)者特聘教授”。開(kāi)辟“快速凝固激光材料制備與成形”研究新領(lǐng)域，建成先進(jìn)的“激光材料加工制造技術(shù)實(shí)驗室”，在先進(jìn)材料快速凝固激光制備加工與成形制造領(lǐng)域取得多項原創(chuàng )性成果并在航空發(fā)動(dòng)機及飛機上得到應用。2000年來(lái)主持“國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目”、“國家863計劃課題”“教育部跨世紀優(yōu)秀人才計劃基金”、“總裝武器裝重點(diǎn)基金”、“國防基礎科研重點(diǎn)項目”等科研項目10余項，發(fā)表論文被SCI及EI收錄137篇次、授權與申請發(fā)明專(zhuān)利7項、獲得“北京市教學(xué)成果一等獎”及“國家教學(xué)成果二等獎”。2013年入選國家“萬(wàn)人計劃”第一批科技創(chuàng )新領(lǐng)軍人才。

當前，“綠色浪潮”席卷全球，推行綠色制造技術(shù)，實(shí)現制造過(guò)程的環(huán)保、綠色化已是題中之義。而“增材制造”在這一浪潮的影響下受到日益廣泛的關(guān)注。北京航空航天大學(xué)的王華明教授及其帶領(lǐng)的科研團隊在大型鈦合金結構件激光直接制造技術(shù)領(lǐng)域取得令人矚目的成績(jì)，并且在航空航天裝備應用中取得了重要突破。

鈦合金構件激光增材制造技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

鈦合金具有密度低、比強度高、屈強比高、耐蝕性及高溫力學(xué)性能好等突出特點(diǎn)，在航空、航天、石化、船舶等工業(yè)裝備中用量越來(lái)越大而且主要被廣泛用作各種機身加強框、梁、接頭等飛機大型關(guān)鍵主承力結構件。以航空應用為例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客機（B一787、A一380）中鈦合金用量已由第三代（B一747、A一300）的不到4%上升到9%以上，第三代殲擊機中鈦合金結構件用量由F-16的約3%增加到了F/A18-ElF、蘇-27的15%以上，而第四代殲擊機F一22中鈦合金結構件用量已占機身結構總重量的41%，事實(shí)上，大型整體鈦合金結構件用量的高低已成為衡量飛機等國防裝備技術(shù)先進(jìn)性的重要標志之一。

但是，由于受鈦合金本性的影響，采用“鍛造+機械加工”等傳統技術(shù)制造這些大型復雜鈦合金關(guān)鍵結構件，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬(wàn)噸級以上重型液壓鍛造工業(yè)裝備，而且制造工序繁多、工藝復雜，需要大型鈦合金鑄錠真空熔鑄、大規格鍛坯制備、大型鍛造模具加工等，零件機械加工余量很大、材料利用率低（一般小于5～10%）、數控加工時(shí)間長(cháng)、制造成本高、生產(chǎn)周期長(cháng)，嚴重制約了大型鈦合金結構件在先進(jìn)工業(yè)及國防裝備中的廣泛應用，大型鈦合金主承力結構件低成本、短周期成形制造技術(shù)，也是制約我國航空裝備研制與生產(chǎn)的技術(shù)“瓶頸”之一！

高性能金屬結構件激光熔化沉積“近凈成形”制造技術(shù)，利用快速原型制造（rapid prototype manufacturing，RPM）的基本原理，以金屬粉末（或絲材）為原材料，通過(guò)高能激光束對金屬原材料的逐層熔化堆積，直接由零件CAD模型一步完成全致密、高性能、大型復雜金屬零件的“近終成形”制造（near-net-shape manufacturincl），是一種具有“變革性”意義的數字化、短周期、低成本、先進(jìn)“近凈成形”制造新技術(shù)，在航空、航天等國防裝備研制與生產(chǎn)中具有廣闊的應用前景。

1、飛機鈦合金結構件激光快速成形技術(shù)國外研究進(jìn)展

迄今為止，國外只有美國AeroMet公司（1998年MTS公司出資與賓州州立大學(xué)、約翰哈普金斯大學(xué)合作成立了專(zhuān)門(mén)從事飛機鈦合金結構件激光快速成形制造的高技術(shù)公司，該公司2005年1 2月已破產(chǎn)倒閉），在2002～2005年期間實(shí)現了激光快速成形鈦合金結構件在飛機上的應用。AeroMet公司在美國國防部“軍民兩用科技計劃”、美國空軍“鍛造計劃”、美國陸軍“滿(mǎn)特”計劃等計劃的資助下，同Boeinq、Lockheed-Martin公司等軍用飛機制造商密切合作，開(kāi)展飛機機身鈦合金復雜結構件激光快速成形技術(shù)研究，2000年9月成功完成對激光成形鈦合金全尺寸飛機機翼結構件的地面性能考核試驗，構件疲勞強度及靜強度達到了取代傳統鍛造及鑄造飛機鈦合金構件的要求。

2001年起AeroMet公司開(kāi)始小批量為波音公司生產(chǎn)F/A-18E/F艦載聯(lián)合殲擊/攻擊機供應發(fā)動(dòng)機艙推力拉梁、機翼轉動(dòng)折疊接頭、翼梁、帶筋壁板及龍骨梁壁板等機翼鈦合金非主承力結構件。2002年制定出了激光快速成形Ti6A14V產(chǎn)品技術(shù)標準，該公司從2002年開(kāi)始直到2005年12月宣布破產(chǎn)倒閉為止，激光快速成形制造的Ti6A14V等飛機鈦合金構件已在F-22、F/A18-ElF等飛機上裝機應用。

美國AeroMet公司是世界歷史上第一家掌握飛機鈦合金結構件激光快速成形技術(shù)并成功實(shí)現裝機應用的單位，但令人遺憾的是。由于受其激光快速成形工藝固有缺點(diǎn)的影響，其激光快速成形Ti6A14V等鈦合金構件即使經(jīng)過(guò)后續熱等靜壓（HIP）或開(kāi)模鍛造（Open Die Forging）加工，零件材料的疲勞性能始終明顯低于鍛件水平（如圖4所示），致使激光快速成形鈦合金構件無(wú)法實(shí)現在飛機關(guān)鍵主承力結構件上的應用，限制了激光快速成形鈦合金結構件在飛機上的應用范圍并最終導致Ae roMet公司于2005年12月宣布破產(chǎn)倒閉。

2、飛機鈦合金結構件激光快速成形技術(shù)國內研究進(jìn)展

迄今國內開(kāi)展過(guò)鈦合金激光快速成形技術(shù)研究的單位只有北京有色金屬研究總院、西北工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)等少數幾家單位，但除北航外，尚未實(shí)現在飛機上的裝機應用。

北京航空航天大學(xué)激光材料成形與制備實(shí)驗室，在國家自然科學(xué)基金“重點(diǎn)”項目及“杰出青年基金”項目、國家“973計劃”專(zhuān)題、國家“863計劃”重點(diǎn)項目等項目的重點(diǎn)支持下，與沈陽(yáng)飛機設計研究所等單位產(chǎn)學(xué)研緊密結合，白1998年以來(lái)一直致力于鈦合金結構激光快速成形工藝、成套工藝裝備及工程化應用關(guān)鍵技術(shù)的研究。

“十五”期問(wèn)，自主研制成功國內首套、具有自主知識產(chǎn)權的“自由平面接觸/動(dòng)態(tài)密封/惰性氣氛保護”鈦合金結構件激光快速成形成套工藝裝備系統。突破了飛機鈦合金次承力結構件激光熔化沉積制造工藝及裝機應用關(guān)鍵技術(shù)，激光熔化沉積制造TC4、TAl5、BT22、TC2等鈦合金室溫及高溫拉伸、高溫持久、高溫蠕變、光滑疲勞、缺El疲勞等力學(xué)性能均顯著(zhù)超過(guò)鍛件，2005年來(lái)激光快速成形TAl5、TC4等多種鈦合金結構件，已實(shí)現在飛機上的裝機應用，零件材料利用率提高了5倍、制造周期縮短了2/3、制造成本降低了1/2以上。

“十一五”期間，在飛機大型主承力鈦合金結構件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過(guò)程控制、長(cháng)期工藝穩定性及構件質(zhì)量保障等系列核心關(guān)鍵技術(shù)上取得了突破性進(jìn)展：

1.研究出了大型整體鈦合金主承力結構件激光快速成形新工藝，解決了激光快速成形大型整體鈦合金主承力結構件變形與開(kāi)裂的的“技術(shù)難題”。

2.提出并掌握了激光快速成形飛機大型整體鈦合金主承力構件凝固組織晶粒形態(tài)及熱處理顯微組織主動(dòng)控制新方法。

3.認識激光快速成形飛機鈦合金大型主承力結構件內部缺陷形成機理并突破內部缺陷與質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)。

4.突破了激光快速成形飛機鈦合金大型主承力整體結構件組織和內部質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)，激光快速成形大型整體鈦合金主承力構件綜合力學(xué)性能達到和超過(guò)鈦合金模鍛件，其中，缺口疲勞極限超過(guò)鈦合金模鍛件40%以上、高溫持久壽命較模鍛件提高400%以上。

5.成功激光快速成形制造出了零件單件重量逾110kq的多種鈦合金關(guān)鍵結構件及迄今國內尺寸最大的大型整體鈦合金飛機主承力結構件。

3、中國鈦合金3D打印后來(lái)居上

我國的鈦合金激光成形技術(shù)起步較晚，直到1995年美國解密其研發(fā)計劃3年才開(kāi)始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學(xué)習，在全國多所大學(xué)和研究所設立實(shí)驗室進(jìn)行研究。其中，中航激光技術(shù)團隊取得的成就最為顯著(zhù)。

早在2000年前后，中航激光技術(shù)團隊就已經(jīng)開(kāi)始投入“3D激光焊接快速成型技術(shù)”研發(fā)，在國家特別是軍方資金的持續支持下，經(jīng)過(guò)數年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護系統”、“熱應力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長(cháng)控制”等多項世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結構復雜、尺寸達到4m量級、性能滿(mǎn)足主承力結構要求的產(chǎn)品，具有了商業(yè)應用價(jià)值。

目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過(guò)12平方米的復雜鈦合金構件的技術(shù)和能力，并投入多個(gè)國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件制造并且裝機工程應用的國家。

節約90%的材料和成本

在解決了材料變形和缺陷控制的難題后，中國生產(chǎn)的鈦合金結構部件迅速成為中國航空研制的一項獨特優(yōu)勢。由于鈦合金重量輕，強度高，鈦合金構件在航空領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用前景。目前，先進(jìn)戰機上的鈦合金構件所占比例已經(jīng)超過(guò)20%。

傳統的鈦合金零件制造主要依靠鑄造和鍛造。其中鑄造零件易于大尺寸制造，但重量較大且無(wú)法加工成精細的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰機的主要承力部件便是大型鑄造鈦合金框。但是零件制造浪費嚴重，原料的95%都會(huì )被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴格的限制：3萬(wàn)噸大型水壓機只能鍛造不超過(guò)0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬(wàn)噸水壓機，鍛造的零件尺寸也不能超過(guò)4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無(wú)法制造復雜的鈦合金構件，而焊接則會(huì )遇到可怕的鈦合金腐蝕現象。

激光鈦合金成形技術(shù)則完全解決了這一系列難題，由于采用疊加技術(shù)，它節約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專(zhuān)用的模具，原本相當于材料成本1~2倍的加工費用現在只需要原來(lái)的10%。加工1噸重量的鈦合金復雜結構件，粗略估計，傳統工藝的成本大約是2500萬(wàn)元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬(wàn)元左右，其成本僅是傳統工藝的5%。

更重要的是，許多復雜結構的鈦合金構建可以通過(guò)3D打印的方式一體成型，不僅節省了工時(shí)，還大大提高了材料強度。F-22的鈦合金鍛件如果使用中國的3D打印技術(shù)制造，在強度相當的情況下，重量最多可以減少40%