先進(jìn)成形技術(shù)方興未艾 取長補(bǔ)短助力航空制造
——訪國家“千人計劃”專家，南方科技大學(xué)講座教授朱強(qiáng)

本刊記者 李 丹

朱強(qiáng)：由美國麻省理工學(xué)院始創(chuàng)于20世紀(jì)70年代的半固態(tài)成形技術(shù)是對具有一定體積分?jǐn)?shù)近球狀顆粒的固-液混合漿料進(jìn)行壓鑄、擠壓或模鍛成形的技術(shù)。自創(chuàng)始之初該技術(shù)便得到了金屬成形領(lǐng)域的普遍重視，已先后對鋁、鎂、銅、鋼鐵等合金和復(fù)合材料在半固態(tài)成形理論和工藝試驗等方面開展了廣泛的研究，其中對于鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)的研究發(fā)展尤其迅速。目前在發(fā)達(dá)國家如北美、歐洲、日本、韓國等已經(jīng)趨于成熟并得到工業(yè)界認(rèn)可，逐漸應(yīng)用于汽車、工程機(jī)械及電子產(chǎn)品等領(lǐng)域高端鋁合金零部件制備生產(chǎn)。我國半固態(tài)成形技術(shù)研發(fā)始于“九五”期間，在國家科研項目的大力支持下，經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前也已逐步進(jìn)入到工業(yè)化推廣應(yīng)用階段?！笆濉逼陂g，我們成功開發(fā)了高固相率鋁合金半固態(tài)壓鑄技術(shù)，制備的汽車渦輪增壓器壓葉輪、電動大巴骨架接頭、制動卡鉗以及通訊轉(zhuǎn)杯合路器等汽車結(jié)構(gòu)和通訊產(chǎn)品性能優(yōu)異，通過包括康明斯、ABB、東風(fēng)、比亞迪、華為等在內(nèi)的多家國內(nèi)外知名企業(yè)驗證，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。半固態(tài)壓鑄成形技術(shù)已經(jīng)列入國家“十三五”重點研發(fā)計劃，推進(jìn)半固態(tài)成形技術(shù)在汽車底盤結(jié)構(gòu)件（如轉(zhuǎn)向節(jié)、控制臂等）和動力系統(tǒng)懸置支架類產(chǎn)品（如發(fā)動機(jī)支架、變速箱支架、轉(zhuǎn)向柱支架等）制造上的應(yīng)用。此外，該技術(shù)也已被列入國家節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖。

相對于傳統(tǒng)的鋁合金成形技術(shù)，半固態(tài)加工成形制造具有低成本、高質(zhì)量、高性能的顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)液態(tài)鑄造工藝成本較低，但產(chǎn)品組織粗大、有鑄造缺陷、力學(xué)性能較低。鍛造成形產(chǎn)品組織細(xì)小均勻、無鑄造缺陷、力學(xué)性能優(yōu)異，但工藝成本較高且難以直接成形復(fù)雜形狀零部件。鋁合金半固態(tài)成形技術(shù)采用已部分凝固的高粘度金屬漿料成形，易實現(xiàn)對漿料流動形態(tài)的有效控制，避免氧化夾雜及氣體等卷入缺陷，產(chǎn)品致密度高，可采用T6熱處理強(qiáng)化，同時其凝固過程體積收縮率小，易于實現(xiàn)近凈成形和智能化生產(chǎn)。因此，半固態(tài)成形技術(shù)既可以獲取同鍛造成形相近的力學(xué)性能，成本卻與鑄造成形相當(dāng)，產(chǎn)品性價比高，可實現(xiàn)以鋁代鋼/鐵，助力于汽車行業(yè)實現(xiàn)輕量化。

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展，鋁合金在民用飛機(jī)用材中所占比例在逐代地緩慢下降，盡管如此，金屬合金在當(dāng)代民用客機(jī)上的鋁化率仍不低于70%。所有的鋁材（板、箔、管、棒、型、線、模鍛件、壓鑄件、鑄件等）都在飛機(jī)上獲得應(yīng)用，其中鍛件及鑄件約各占鋁合金適用總量的15%。在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中，有大約1000種鋁合金鑄件，其中大部分使用砂型鑄造成形，如果使用半固態(tài)成形，可以進(jìn)一步提高產(chǎn)品的冶金質(zhì)量和物理力學(xué)性能，提升產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的空間，實現(xiàn)進(jìn)一步減重。針對變形鋁合金可采用高固相率半固態(tài)鍛造技術(shù)提升材料的變形性能，降低工藝成本，同時還可獲得更高的力學(xué)性能。綜上，半固態(tài)成形技術(shù)在航空減重方面同樣具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用價值。

我們團(tuán)隊通過溫度場和成分控制理論技術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)細(xì)小和球狀晶粒顆粒組織的內(nèi)在規(guī)律，實現(xiàn)組織的控制，為后續(xù)半固態(tài)、金屬粉末注射成形以及3D打印成形技術(shù)的實現(xiàn)創(chuàng)造組織保障。研究顆粒材料在成形過程中的多相流動內(nèi)在規(guī)律，發(fā)展多相流模型和計算機(jī)模擬技術(shù)，優(yōu)化成形工藝，實現(xiàn)半固態(tài)、金屬粉末注射成形以及3D打印技術(shù)。

朱強(qiáng)：除縮短制造周期、降低制造成本以及提高產(chǎn)品性能外，3D打印技術(shù)還突破了傳統(tǒng)工藝對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品難以加工或無法加工的局限，實現(xiàn)真正意義上的自由制造。我國3D打印雖然起步比國際發(fā)達(dá)國家晚，技術(shù)相對落后，但擁有全球最大的3D打印潛在市場和成本優(yōu)勢，國家相繼出臺的扶持政策，有利于中國3D打印市場發(fā)展。在《中國制造2025》綱要中，3D打印技術(shù)被提升至國家戰(zhàn)略發(fā)展高度，在我國由“制造大國”向“制造強(qiáng)國”轉(zhuǎn)型升級的進(jìn)程中，該技術(shù)無疑將成為重要的推動力量之一。考慮到南方科技大學(xué)的發(fā)展定位，同時結(jié)合自己長期在金屬控制凝固、金屬加工以及在高溫合金材料等方面的科研背景，我將科研興趣重點轉(zhuǎn)向金屬3D打印技術(shù)的研究。在入職南科大后，我作為學(xué)術(shù)帶頭人申請成立了“深圳市高機(jī)能材料增材制造重點實驗室”，我們在近2年內(nèi)將致力于包括鈦合金、高溫合金、模具鋼、鋁合金在內(nèi)的多種3D打印材料的開發(fā)、3D打印工藝技術(shù)開發(fā)、3D打印全流程數(shù)值模擬方法研究以及3D打印缺陷在線檢測及控制技術(shù)研究。同時，我們將整合南科大校內(nèi)材料科學(xué)與工程、機(jī)械設(shè)計制造、智能控制及電子工程等方向的智力資源，力爭在5年內(nèi)開發(fā)自有知識產(chǎn)權(quán)大功率激光器及3D打印智能裝備。實驗室將積極尋求突破，與深圳市產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級協(xié)同發(fā)展，從原料端為深圳市乃至廣東省在全國3D打印市場中爭得一席之地。增材技術(shù)亦將是實驗室的特色與重點方向之一。與此同時，還將進(jìn)行關(guān)鍵元器件、集成系統(tǒng)和成套設(shè)備開發(fā)，帶動打印服務(wù)、技術(shù)解決方案等相關(guān)配套產(chǎn)業(yè)，逐步構(gòu)建完整的生態(tài)產(chǎn)業(yè)鏈，助力深圳在全國乃至全球3D打印技術(shù)發(fā)展浪潮中搶占先機(jī)。

當(dāng)前我們?nèi)蕴幱诔跗诜e累階段，主要研究工作包括基于粉末床3D打印高溫合金的裂紋行為及微合金化設(shè)計技術(shù)、3D打印殘余應(yīng)力預(yù)測及控制技術(shù)等。同時，我們還在開發(fā)基于常規(guī)加熱方式（非激光/電子束等高能束流）的金屬直寫技術(shù)，旨在提高制造效率，降低金屬增材制造裝備及工藝成本。

朱強(qiáng)：自改革開放以來，經(jīng)過不斷地向發(fā)達(dá)國家學(xué)習(xí)，國內(nèi)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)化模式不斷改革和發(fā)展，已經(jīng)接近于發(fā)達(dá)國家的模式。技術(shù)從基礎(chǔ)研究到規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用，要經(jīng)過基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)研究、應(yīng)用技術(shù)研究、商品開發(fā)研究、生產(chǎn)工藝開發(fā)、規(guī)模生產(chǎn)9個技術(shù)成熟度階段。大學(xué)和科研院所主要承當(dāng)從基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)研究到部分應(yīng)用技術(shù)研究；企業(yè)主要承擔(dān)從生產(chǎn)工藝開發(fā)到規(guī)?；a(chǎn)技術(shù)的研究；而中間環(huán)節(jié)是缺乏的。這也是我國基礎(chǔ)技術(shù)研究成果到商品開發(fā)和規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率較低的主要原因之一。這個成果轉(zhuǎn)化需要多方協(xié)同配合。國內(nèi)在技術(shù)產(chǎn)業(yè)化上面臨的主要困難包括：基礎(chǔ)研究成果的成熟性和適用性較差，偏離了市場需求；大部分企業(yè)缺乏主動吸納高新科技成果的意識，且吸納能力有限；大學(xué)、科研院所與企業(yè)之間缺乏交流的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)。

我們在半固態(tài)技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的過程中就遇到了這些困難。一方面，我們改進(jìn)原有的技術(shù)，使其具有更好的實際生產(chǎn)適用性；另一方面，我們協(xié)助企業(yè)構(gòu)建研發(fā)團(tuán)隊，增強(qiáng)其技術(shù)吸收能力；再一方面，我們主動與企業(yè)交流，搭建高校、科研院所、企業(yè)三者互動的交流平臺。經(jīng)過多方面的努力，我們打通了從基礎(chǔ)科學(xué)技術(shù)研究到規(guī)模生產(chǎn)的整個流程，實現(xiàn)了半固態(tài)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。目前國內(nèi)已經(jīng)應(yīng)用我們開發(fā)的技術(shù)建立了多條自動生產(chǎn)線。

朱強(qiáng)：南方科技大學(xué)是一所新的學(xué)校，正因為新，所以她充滿了活力，充滿了無限的可能。我從考大學(xué)開始，始終在做著研究。如今，半固態(tài)生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，那么我也可以進(jìn)行下一階段的研究旅程了?；蛟S有人會說坐享自己的研究成果，再做進(jìn)一步的工作，這樣不好嗎？相比享受成果，我更喜歡研究過程，我希望突破自己。所以，我選擇南科大。南科大，她充滿朝氣，洋溢著深圳快速和不斷創(chuàng)新的發(fā)展氣息；她深含內(nèi)蘊(yùn)，流動著科技學(xué)術(shù)創(chuàng)新的風(fēng)向。這里有很好的平臺，有很大的發(fā)揮空間，更有很多志趣道合的伙伴。所以，我渴望在這里見證一個突破的自己，一個成長的南科大。她的魅力深深吸引了我。

多個研究興趣的產(chǎn)生得益于早前的科研經(jīng)歷，那是一筆非常寶貴的財富。有8年時間我在英國謝菲爾德大學(xué)和劍橋大學(xué)任研究員，從事金屬材料熱變形行為和組織化研究。重點研究基于熱變形過程中溫度場合形變場不均勻性及其對組織變化的影響，進(jìn)行在線監(jiān)測和控制技術(shù)研發(fā)。溫度場、應(yīng)變場及金屬和模具交互作用產(chǎn)生的不均勻性產(chǎn)生耦合作用，會對金屬變形過程中的位錯以及隨后的恢復(fù)與再結(jié)晶行為產(chǎn)生干預(yù)，從而影響產(chǎn)品的品質(zhì)。結(jié)合自動控制、機(jī)械工程及冶金材料技術(shù)多學(xué)科交叉，全球首次發(fā)展了“Hybrid Modelling”，并成功應(yīng)用于熱加工過程的在線監(jiān)測和控制。這在金屬材料領(lǐng)域最高水平Acta Materialia上成功發(fā)表后，被評價為“為熱加工過程模擬和控制提供了一個嶄新的技術(shù)”。因此研究成果，我受邀在加拿大鋁業(yè)和德國西門子公司以及愛爾蘭根大學(xué)等進(jìn)行學(xué)術(shù)交流。后來在英國Cummins Turbo Technologies Ltd.任首席冶金與材料工程師，從事全球渦輪增壓器材料的選擇和零部件制備技術(shù)的研發(fā)。帶領(lǐng)研發(fā)團(tuán)隊先后成功研發(fā)高溫合金精密鑄造、粉末注射成形工藝和壓葉輪鋁合金鍛造工藝及半固態(tài)壓鑄工藝，為公司節(jié)省數(shù)十億美元并提高產(chǎn)品壽命近10倍，先后代表渦輪增壓技術(shù)分公司向總公司President和CEO匯報。于2004年和2006年兩次獲得公司唯一的Steve Power科技進(jìn)步獎和2009年北美半固態(tài)/擠壓鑄造科技進(jìn)步大獎。因半固態(tài)壓葉輪技術(shù)，受邀在極具權(quán)威的兩年一次的國際半固態(tài)大會上作大會（2010年）特邀報告（Invited Keynote Lecture）。

2010年，加入北京有色金屬研究總院，組建了北京市金屬先進(jìn)成形制造工程技術(shù)研究中心，發(fā)展了半固態(tài)成形、激光增材制造、特種鑄造、金屬粉末注射成形、計算機(jī)模擬和輔助設(shè)計以及失效分析6個研究領(lǐng)域。

事實告訴我們，學(xué)會正確地管理自己的時間，分配自己的時間，你完全可以做更多你想做的事情，而不會撿了芝麻丟了西瓜。一加一可以大于二，可能會大很多（這可能是個哲學(xué)問題）。同時，建立一支有活力、對科研充滿熱情的團(tuán)隊是非常必要的。加強(qiáng)科研團(tuán)隊建設(shè)，在學(xué)術(shù)負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)下，組建一支包括學(xué)術(shù)負(fù)責(zé)人、核心成員、技術(shù)骨干及相應(yīng)輔助工作人員在內(nèi)的具有國際水平的學(xué)術(shù)研發(fā)團(tuán)隊。專人負(fù)責(zé)，分工明確，發(fā)揮專長，有效地提高科研效率，也為有想法、有志于在該領(lǐng)域發(fā)展的年輕人提供一個發(fā)展的舞臺，吸納博士后、研究生等青年才俊加入。堅持在理論指導(dǎo)下引領(lǐng)技術(shù)創(chuàng)新，在科研活動中大膽創(chuàng)新，保持活力，保持研發(fā)成果和研發(fā)團(tuán)隊世界一流的同時，培養(yǎng)一批金屬成形領(lǐng)域的高層次人才。