王華明：金屬3D打印“智造”大國重器

華明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。

“國產大型客機C919圓滿完成首次商業飛行！”2023年5月28日，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。“國產大飛機”成功研發的背后，有著來自北京科研的貢獻——中國工程院院士、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的飛機鈦合金等大型復雜構件激光增材制造技術，僅用55天，就做出了C919機頭鈦合金主風擋整體窗框。

這項技術，也被稱為“金屬3D打印”，是以合金粉末或絲材為原材料，在計算機控制下通過激光逐層掃描，熔化并急冷凝固堆積，實現大型復雜金屬構件的快速成型制造。我國運—20運輸機、長征五號B運載火箭、祝融號火星探測器等“大國重器”上，用3D打印技術制造的大型關鍵金屬承力構件都發揮著重要作用。

實現金屬構件“智造”

在王華明的實驗室，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，就能完成重大工業裝備大型復雜關鍵承力結構的快速生產。

傳統的金屬鑄造會伴隨著四濺的火星，而在大型金屬構件激光3D打印機中，待加工的金屬材料上亮起一陣小“火花”，不到一分鐘，“火花”熄滅，原本光滑的表面上便“長”出了約3毫米高的環形結構。在這背后，有計算機建模作為“大腦”，對目標零件切片分層，繪制模型圖并生成相關數據；有激光頭發射激光形成微小的高溫熔池，逐層熔化金屬粉末，堆積形成新的金屬構件。

原理聽起來并不復雜，但圍繞其中的核心關鍵問題，王華明帶領團隊攻關了30余年。

鈦合金等高性能大型關鍵金屬構件制造是高端重大裝備制造業的基礎和核心技術。傳統的金屬鑄鍛技術制造周期長、成本高，還受到鑄錠冶金和鍛造成形的原理性制約。即使用世界最大的8萬噸鍛造機鍛造鈦合金零件，最大尺寸也不超過5平方米，無法滿足大型關鍵金屬構件的生產需求。此前，國際上曾有科研團隊開展過飛機鈦合金構件激光增材制造技術研究，最終因打印構件在疲勞等性能方面無法滿足要求而放棄。

1995年，王華明帶領科研團隊正式開啟“金屬3D打印”的研發之路。小型零件的打印研究很快有了突破，但當零件體積變大，問題隨即出現——零件尺寸越大，內部的熱應力越高，打印時就越容易變形或開裂，凝固結晶及冷卻過程控制不好也會導致冶金缺陷。

為了找到變形、開裂的原因，王華明和團隊成員輪班值守在平臺前，24小時不間斷、20多天不停歇，隨時調整建模數據。每一個打印出的金屬構件，都必須經過嚴格的研制流程檢驗。“未來這些零件都是要裝到重大裝備上的，和安全息息相關，容不得半點失誤。”

從小零件到“大塊頭”

十年磨一劍，2005年6月，王華明團隊研制出的我國第一個3D打印鈦合金小零件被裝上飛機，金屬3D打印技術邁出了標志性的一步。但從小零件到“大塊頭”，仍有重重關卡需要突破。

在國產大飛機C919研制過程中，機頭的風擋窗框看起來結構簡單，實際上，其空間形狀極為復雜，用傳統的鍛造、焊接等方法無法完成。那時，全世界范圍內只有歐洲的一家公司能夠鍛造，對方也開出了價格——模具費就要200萬美元，制造周期則要2年。

王華明接下了這項任務。原本團隊計劃在臘月二十之前完成研制，但各種小問題一個個冒出來，一直拖到了除夕夜。那晚，零件好不容易打印成型，但又大又重的零件沒法放到爐中進行后續的應力處理，堅守在崗位上的團隊成員都一籌莫展。

最終王華明決定，大家都先回家，吃團圓飯。大年初一，他一大早就趕到實驗室，看到的卻是裂成三段的零件。“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，后續，團隊成員用一個簡單的物理學原理化整為零、積零為整，最終實現了內應力離散，大型構件內應力大、容易開裂的問題得到了解決。

這個C919上的“大塊頭”，從零件打印、熱處理、測試檢驗到運輸交付，整個制造周期不足55天，成本不足鍛造模具費用的十分之一。

向技術前沿持續突破

從火星四濺的金屬冶煉，到激光掃描實現3D打印，跨越數千年的技法有了新的生命。這項稱得上“神奇”的金屬3D打印技術，幫助大型關鍵金屬構件制造能力和材料性能水平更進一步，我國成為世界上唯一一個掌握該技術，并付諸實際應用的國家。

11年前，中共中央政治局以創新驅動發展戰略為主題的第九次集體學習活動來到中關村，榮獲了國家科技發明一等獎的飛機鈦合金大型復雜整體構件激光成形技術，被遴選為第一項重點學習調研內容。王華明作為技術發明人，在中關村的這間“課堂”上講解了國內、國際3D打印技術現狀和市場前景。“這次的經歷，給了我極大的鼓舞，讓我有更大的動力繼續奮斗在科研的道路上。奮斗很快樂，特別是為國家民族奮斗，榮譽感自豪感自不待言。”

現在，王華明依舊堅守在科研和教學一線，在他的實驗室里，“報國使命?創新引領?激情敏行?卓越超越”的16個大字格外顯眼。“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。”他說。

北京的科創環境，為王華明團隊提供了創新研究的沃土。“在全國范圍內，北京在科技創新上毫無疑問是處在引領位置的。”王華明認為，這種引領不僅體現在科創力量、科研隊伍、科研平臺等方面，還包括了超前的理念、寬松的環境、務實的政策等。在他看來，北京科創的發展勢頭正勁，未來，北京將成為在世界上具有影響力的、全世界科技人員向往并希望加入的地方。

當下，王華明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。未來，金屬3D打印技術不僅會改變大型零件制造工業固有的大、重、貴的面貌，還將會走進千家萬戶。