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)會與北京電視臺承辦的“推動‘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(jù)悉，這20位獲獎人物平均年齡48.5歲，均工作在科研第一線，研發(fā)專業(yè)涵蓋七大戰(zhàn)略新興領(lǐng)域。2014首都科技盛典通過弘揚(yáng)他們甘于奉獻(xiàn)、勇于創(chuàng)新的精神，突出科技成果帶來的巨大變化，讓全社會感受到科技的強(qiáng)大力量。

其中北京航空航天大學(xué)教授王華明也獲得推動“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(jī)鈦合金、超高強(qiáng)度鋼等難加工大型復(fù)雜整體主承力構(gòu)件激光成形關(guān)鍵技術(shù)，并建立完整標(biāo)準(zhǔn)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)并實現(xiàn)裝機(jī)工程應(yīng)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(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)的多個產(chǎn)品的研制與生產(chǎn)，在高濃度鐵礦漿高壓長距離輸運(yùn)管線上使用。

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(jù)《國家科學(xué)技術(shù)獎勵條例》的規(guī)定，經(jīng)國家科學(xué)技術(shù)獎勵評審委員會評審、國家科學(xué)技術(shù)獎勵委員會審定和科技部審核，國務(wù)院批準(zhǔn)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(zhǔn)，授予“水稻復(fù)雜數(shù)量性狀的分子遺傳調(diào)控機(jī)理”等41項成果國家自然科學(xué)獎二等獎，授予“飛機(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)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(fù)周圍神經(jīng)缺損的新技術(shù)及其應(yīng)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(gòu)裝備自主設(shè)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(jī)鈦合金大型復(fù)雜整體構(gòu)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(zé)任教授、“長江學(xué)者特聘教授”。開辟“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)動機(jī)及飛機(jī)上得到應(yīng)用。2000年來主持“國家自然科學(xué)基金重點項目”、“國家863計劃課題”“教育部跨世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃基金”、“總裝武器裝重點基金”、“國防基礎(chǔ)科研重點項目”等科研項目10余項，發(fā)表論文被SCI及EI收錄137篇次、授權(quán)與申請發(fā)明專利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“萬人計劃”第一批科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。

當(dāng)前，“綠色浪潮”席卷全球，推行綠色制造技術(shù)，實現(xiàn)制造過程的環(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(tuán)隊在大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)領(lǐng)域取得令人矚目的成績，并且在航空航天裝備應(yīng)用中取得了重要突破。

鈦合金構(gòu)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(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性及高溫力學(xué)性能好等突出特點，在航空、航天、石化、船舶等工業(yè)裝備中用量越來越大而且主要被廣泛用作各種機(jī)身加強(qiáng)框、梁、接頭等飛機(jī)大型關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)件。以航空應(yīng)用為例，如波音公司和空客公司研制的新一代民用客機(jī)（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(jī)中鈦合金結(jié)構(gòu)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(jī)F一22中鈦合金結(jié)構(gòu)件用量已占機(jī)身結(jié)構(gòu)總重量的41%，事實上，大型整體鈦合金結(jié)構(gòu)件用量的高低已成為衡量飛機(jī)等國防裝備技術(shù)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。

但是，由于受鈦合金本性的影響，采用“鍛造+機(jī)械加工”等傳統(tǒng)技術(shù)制造這些大型復(fù)雜鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，不僅需要大型鈦合金鑄錠熔鑄與制坯、萬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(fù)雜，需要大型鈦合金鑄錠真空熔鑄、大規(guī)格鍛坯制備、大型鍛造模具加工等，零件機(jī)械加工余量很大、材料利用率低（一般小于5～10%）、數(shù)控加工時間長、制造成本高、生產(chǎn)周期長，嚴(yán)重制約了大型鈦合金結(jié)構(gòu)件在先進(jìn)工業(yè)及國防裝備中的廣泛應(yīng)用，大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fù)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(shù)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(yīng)用前景。

1、飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)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)合作成立了專門從事飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)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年期間實現(xiàn)了激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)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“滿特”計劃等計劃的資助下，同Boeinq、Lockheed-Martin公司等軍用飛機(jī)制造商密切合作，開展飛機(jī)機(jī)身鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)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(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件的地面性能考核試驗，構(gòu)件疲勞強(qiáng)度及靜強(qiáng)度達(dá)到了取代傳統(tǒng)鍛造及鑄造飛機(jī)鈦合金構(gòu)件的要求。

2001年起AeroMet公司開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(jī)供應(yīng)發(fā)動機(jī)艙推力拉梁、機(jī)翼轉(zhuǎn)動折疊接頭、翼梁、帶筋壁板及龍骨梁壁板等機(jī)翼鈦合金非主承力結(jié)構(gòu)件。2002年制定出了激光快速成形Ti6A14V產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，該公司從2002年開始直到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(jī)鈦合金構(gòu)件已在F-22、F/A18-ElF等飛機(jī)上裝機(jī)應(yīng)用。

美國AeroMet公司是世界歷史上第一家掌握飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)并成功實現(xiàn)裝機(jī)應(yīng)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的影響，其激光快速成形Ti6A14V等鈦合金構(gòu)件即使經(jīng)過后續(xù)熱等靜壓（HIP）或開模鍛造（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(gòu)件無法實現(xiàn)在飛機(jī)關(guān)鍵主承力結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用，限制了激光快速成形鈦合金結(jié)構(gòu)件在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍并最終導(dǎo)致Ae roMet公司于2005年12月宣布破產(chǎn)倒閉。

2、飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形技術(shù)國內(nèi)研究進(jìn)展

迄今國內(nèi)開展過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(shù)幾家單位，但除北航外，尚未實現(xiàn)在飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)用。

北京航空航天大學(xué)激光材料成形與制備實驗室，在國家自然科學(xué)基金“重點”項目及“杰出青年基金”項目、國家“973計劃”專題、國家“863計劃”重點項目等項目的重點支持下，與沈陽飛機(jī)設(shè)計研究所等單位產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，白1998年以來一直致力于鈦合金結(jié)構(gòu)激光快速成形工藝、成套工藝裝備及工程化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)的研究。

“十五”期問，自主研制成功國內(nèi)首套、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“自由平面接觸/動態(tài)密封/惰性氣氛保護(hù)”鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形成套工藝裝備系統(tǒng)。突破了飛機(jī)鈦合金次承力結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝及裝機(jī)應(yīng)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)性能均顯著超過鍛件，2005年來激光快速成形TAl5、TC4等多種鈦合金結(jié)構(gòu)件，已實現(xiàn)在飛機(jī)上的裝機(jī)應(yīng)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(jī)大型主承力鈦合金結(jié)構(gòu)件激光熔化沉積制造工藝、成套裝備、過程控制、長期工藝穩(wěn)定性及構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件變形與開裂的的“技術(shù)難題”。

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

3.認(rèn)識激光快速成形飛機(jī)鈦合金大型主承力結(jié)構(gòu)件內(nèi)部缺陷形成機(jī)理并突破內(nèi)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(jī)鈦合金大型主承力整體結(jié)構(gòu)件組織和內(nèi)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(gòu)件綜合力學(xué)性能達(dá)到和超過鈦合金模鍛件，其中，缺口疲勞極限超過鈦合金模鍛件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(jié)構(gòu)件及迄今國內(nèi)尺寸最大的大型整體鈦合金飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)件。

3、中國鈦合金3D打印后來居上

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年才開始投入研究。早期基本屬于跟隨美國的學(xué)習(xí)，在全國多所大學(xué)和研究所設(shè)立實驗室進(jìn)行研究。其中，中航激光技術(shù)團(tuán)隊取得的成就最為顯著。

早在2000年前后，中航激光技術(shù)團(tuán)隊就已經(jīng)開始投入“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(xù)支持下，經(jīng)過數(shù)年研發(fā)，解決了“惰性氣體保護(hù)系統(tǒng)”、“熱應(yīng)力離散”、“缺陷控制”、“晶格生長控制”等多項世界技術(shù)難題、生產(chǎn)出結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸達(dá)到4m量級、性能滿足主承力結(jié)構(gòu)要求的產(chǎn)品，具有了商業(yè)應(yīng)用價值。

目前，我國已經(jīng)具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(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(gòu)件制造并且裝機(jī)工程應(yīng)用的國家。

節(jié)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(jié)構(gòu)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(qiáng)度高，鈦合金構(gòu)件在航空領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。目前，先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的鈦合金構(gòu)件所占比例已經(jīng)超過20%。

傳統(tǒng)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，但重量較大且無法加工成精細(xì)的形狀。鍛造切削雖然精度較好，美國F-22戰(zhàn)機(jī)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(fèi)嚴(yán)重，原料的95%都會被作為廢料切掉，而且鍛造鈦合金的尺寸受到嚴(yán)格的限制：3萬噸大型水壓機(jī)只能鍛造不超過0.8平方米的零件，即使世界上最大的8萬噸水壓機(jī)，鍛造的零件尺寸也不能超過4.5平方米。而且這兩種技術(shù)都無法制造復(fù)雜的鈦合金構(gòu)件，而焊接則會遇到可怕的鈦合金腐蝕現(xiàn)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(jié)約了90%十分昂貴的原材料，加之不需要制造專用的模具，原本相當(dāng)于材料成本1~2倍的加工費(fèi)用現(xiàn)在只需要原來的10%。加工1噸重量的鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，粗略估計，傳統(tǒng)工藝的成本大約是2500萬元，而激光3D焊接快速成型技術(shù)的成本僅130萬元左右，其成本僅是傳統(tǒng)工藝的5%。

更重要的是，許多復(fù)雜結(jié)構(gòu)的鈦合金構(gòu)建可以通過3D打印的方式一體成型，不僅節(jié)省了工時，還大大提高了材料強(qiáng)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(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下，重量最多可以減少40%