北航王华明教授及其团队：立足国家战略需求 巧制飞机大 ...

《中国高校科技》杂志报道北航王华明教授及其团队：立足国家战略需求 巧制飞机大型关键构件

点击数:[637] | 加入时间:[2013-05-10 15:26]

编者按：《中国高校科技》杂志2013年第3期《科技精英了》栏目刊文深入报道了我校2012年国家技术发明一等奖获得者北航王华明教授及其团队的先进事迹。北航新闻网全文转载，以飨读者。 立足国家战略需求 巧制飞机大型关键构建 ——记2012年国家技术发明一等奖获得者北航王华明教授及其团队 “瞄准前沿问题、立足国家重大的战略需求做科研。”这是北京航空航天大学（简称“北航”）材料科学与工程学院北航王华明教授及其团队多年来不懈努力的方向，也是他们未来持续发展的动力目标。 围绕大飞机等国家重大专项及重大装备制造业发展的战略需求，北航王华明教授带领他的创新团队，“产学研”紧密结合，经10余年持续研究，自主创新，发明了系列激光成形新工艺、内部结构控制新方法和大型工程成套新装备，使我国成为迄今世界上唯一突破该技术并实现装机工程应用的国家。该成果为钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂关键构件的高性能、短周期、低成本、快速制造提供了技术新途径，对提升我国飞机、航空发动机等重大装备研制生产能力、提高性能、降低成本，具有重大应用价值和广阔应用前景。在2012年度国家科技奖励大会上，该项成果荣获国家技术发明一等奖，同时，这也是北航9年来获得的第八项国家科技奖励一等奖。 【致力材料科学研究，组建科技创新团队】 王华明是恢复高考后入学的第3批大学生，随后又获得硕士、博士学位，完成博士后研究出站后，进入北航。1992年，他获得德国“洪堡研究奖学金”，成为北航第一位“洪堡学者”赴德国深造。完成了在德国的深造后，德国的师友诚恳地挽留他：“这里的环境、条件都比中国好，留下来吧。”王华明坚定地回答：“我是中国人，学成回国，是很正常的事情。” 王华明从事的材料科学研究，在国家科学研究、国防建设与经济建设中占有十分重要的地位。一回国，他便组建了研究团队，开始了艰难的自主创新和研究工作。当时，实验室里连张像样的桌子都没有，可是他没有向学校、系里开口谈条件，提要求，而是自筹经费用于实验室的建设。 10年来，王华明累积自筹经费200余万元，其中至少有20余万元是他本人的劳务费用。为了支持这位默默奉献在教学科研一线的学者，学校为他落实了“激光材料制备加工与成形制造”研究条件的建设工作，支持该建设项目进入国家“211工程”重点建设计划，很快建成了“激光材料加工与表面工程实验室”，实验室在最近实施的国家“985工程”中又被学校继续列入重点建设计划。 刚起步的时候，他们的实验室只是北航校内一个不起眼的小院子，面积约1千平方米，天天经过门口的学生也对它难有印象。平常院子里偶见研究人员和实验工程技术人员忙碌进出，唯一引人注意的是，这个院子天天彻夜灯火通明。 然而，就是这个不起眼的小院子，既是高性能金属材料激光制备与成形教育部创新团队的研究基地，也支撑着北京市大型关键金属构件激光直接制造工程技术研究中心和大型整体金属构件激光直接制造教育部工程研究中心两个省部级工程研究中心。在这里，王华明带领他的创新团队，“产学研”紧密结合，十几年来围绕大飞机等国家重大专项及重大装备制造业发展的战略需求，致力于飞机、发动机等装备中钛合金、超高强度钢等高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造关键技术研究，创造了一个又一个奇迹。 谈到所取得的成绩，王华明总是感慨地说：“我们很幸运，赶上了国家拨乱反正、改革开放的大好时期，赶上了国家尊重知识、尊重人才的好政策，才有了我今天的一点点成绩，没有党的培养就没有我的今天。” 【发明“变形金刚术” 巧制飞机关键构件】 一束激光，有规则地在金属材料上游走，所过之处，金属神奇地生长。这束奇特的激光可以制造出飞机上任意一种复杂形状的大型零件，宛如“变形金刚”。这项神奇的“变形金刚术”在国际上首次全面突破了飞机钛合金大型复杂整体关键构件激光直接制造工艺、装备、性能控制和应用关键技术，建立了完整技术标准体系，研制出了拥有系列原创核心关键技术、迄今世界上最大的钛合金等难加工金属构件激光直接制造工程化成套装备，生产出了我国飞机中迄今尺寸最大、结构最复杂的高性能钛合金主承力关键构件。 传统飞机钛合金大型关键构件的制造方法是锻造和机械加工。也就是说，首先要熔铸大型钛合金铸锭、锻造制坯、加工大型锻造模具，然后再用万吨级水压机等大型锻造设备来锻造出零件毛坯，最后再对毛坯零件进行大量机械加工。整个工序下来，耗时费力，总花费要高达几十个亿，光大型模具的加工就要用一年以上的时间，要动用几万吨级的水压机来工作，要大量供电，甚至需要建电厂。模具加工出来后，再用它锻造出一个大型结构件的毛坯，然后继续加工各部位的细节，等到最后成形，几乎90％的材料都被切削、浪费掉了。 王华明和他的团队成员一直以来都有一个梦想——“如果有一天，中国飞机上许多关键大型复杂高性能主承力构件都能采用我们激光直接制造技术实现低成本、短周期、快速制造该多好啊！”这是支撑他们十多年如一日辛苦奋战在科研第一线的不竭动力。 张述泉2003年读硕士正式加入王华明研究团队时，正赶上激光增材制造技术从科研摸索阶段步入初步工程化阶段。他十分享受带着红外眼镜，守在机器旁看着一个150毫米的小零件在激光中慢慢“生长”出来的过程。 “那时候，七八个小时能做出一个A4纸大小的次承力结构件出来，我们都高兴得不得了。”然而他怎么也没想到，经过近10年的持续努力后，他们将会做出外廓尺寸超过5平方米的飞机高性能钛合金主承力结构件来。 张述泉的儿子出生时，正是攻关的关键时期，他只陪了家人两天就匆匆赶回实验室，如今，儿子已经两岁半，他每天跟儿子相处只有早上送她上幼儿园的那段时间。团队核心成员方艳丽直到她临产前两天还一直工作在实验室。 研制出的产品从150毫米到5平方米不仅仅是一个量的飞越，更是质的飞跃，其技术难度可想而知，经历的失败和技术研发的艰辛只有他们能体验和享受，用团队成员的话说，这叫“乐在其中”。 从2000年开始，王华明和他的科研团队启动攻关，围绕大型复杂零件锻造技术，不断创新，寻求突破，利用5年时间走出了一条与传统方法截然不同的新路子。 他们探索了一条做“加法”的高性能金属零件制造方式——通过计算机控制，用激光将合金粉末熔化，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接根据零件CAD模型一步完成大型复杂高性能金属零部件的“近终成形”制造。这就是高性能金属构件“激光增材制造”技术，它的特点——高性能、低成本、短周期则正好弥补了传统制造方法的不足，而且使得很多传统方法不能做出的构件成为了可能。 过去两三年才能做好的复杂大型零件，现在两三个月就能完成，而且只需两三个人在实验室里操作。如今，王华明找到的“变形金刚术”制作的零件已实实在在地装上了飞机，使我国成为继美国之后世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及在飞机上装机应用技术的国家。 今年50岁的王华明在33岁时便被破格晋升为教授， 2000年以来，他牵头主持“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划课题”、“教育部跨世纪优秀人才计划基金”等重要科研项目20余项，授权发明专利6项，被评为长江学者特聘教授，获得了全国五一劳动奖章。 “他是我们学习的榜样。”提起师长王华明，他的博士张述泉总是竖起大拇指。“王华明老师常对我们说，党和政府为我们高校教师创造了这么好的物质条件与社会环境。做人最重要的是要有责任心，要尽最大努力把每件小事做好。” 【瞄准国家重大需求，产学研合作协同创新】 王华明始终认为所有的创新都是始于对实践和对现有知识的深度认识与灵活应用。要想创新必须脚踏实地，必须结合国家重大战略需求，创造具有实际价值的创新成果。十多年来，他这种追求创新的精神也潜移默化地影响了他们学生们。 2001年，汤海波考上王华明教授的硕士研究生时，王华明就已经在做激光增材制造技术。“当时王老师提出这个瞄准国家战略需求和国际学科前沿发展方向的研究领域，以及与我国主要飞机设计所、制造公司合作的这种产学研结合的模式，对我们研究生是一种很大吸引力。”汤海波毫不犹豫地选择了跟随王老师从事这方面的研究，如今他已经博士毕业留校，成为这个团队的骨干力量。 张述泉将团队的跨越式发展归功于设计所的主导需求牵引的产学研结合模式，“如果当时没有这种产学研结合的模式，没有国家重大需求的牵引主导作用，可能我们的研究进程就比现在慢，需求牵引、产学研融合协同的创新模式也在推动我们跨越式的发展。” 多年来，团队一直在与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、上海飞机设计研究院、中国燃气涡轮研究院、沈阳发动机设计研究所、沈飞公司、西飞公司、成飞公司、中航商用发动机公司、黎阳航空发动机公司、航天一院、航天三院等单位有着紧密的合作，取得了一系列的成绩。 我国自主研发的大型客机C919机头钛合金主风挡整体窗框，尺寸大、形状复杂，是空间双曲面构件。国内的飞机制造厂用传统方法无法做出，只有欧洲一家公司能做出来，但是光每件模具费就要价50万美元，而交货周期还要等两年。2009年王华明团队仅仅用55天时间就做出来，而且零件成本还不足欧洲锻造模具费的十分之一。大型客机研制中央翼一号肋钛合金上缘条，传统锻件毛坯重达超过1600公斤，而采用他们研发成功的激光直接成形技术制造出的精坯重量还不到137公斤，节省钛合金90%以上，切削加工重量还不到锻件的5%！ 如今，团队的高性能金属构件激光增材制造技术已经属于国际领先水平，学校在北京市的大力支持下和中航工业集团公司合作，在北京组建了中航天地激光科技有限公司成果产业化基地，他们正在挑战新的任务——让这项创新技术成果从实验室真正走向工程化和产业化，为国家重大装备制造业技术进步发挥作用。 临别前，团队成员对记者说，在这个团队能有一种满足感、自豪感。或许这些是来自他们所为之奉献的目标——解决国家重大的战略需求，为了未来中国的飞机能真正made in China。

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《中国高校科技》杂志报道北航王华明教授及其团队：立足国家战略需求 巧制飞机大型关键构件点击数:[637] | 加入时间:[2013-05-10 15:26]
编者按：《中国高校科技》杂志2013年第3期《科技精英了》栏目刊文深入报道了我校2012年国家技术发明一等奖获得者北航王华明教授及其团队的先进事迹。北航新闻网全文转载，以飨读者。


立足国家战略需求 巧制飞机大型关键构建

——记2012年国家技术发明一等奖获得者北航王华明教授及其团队


“瞄准前沿问题、立足国家重大的战略需求做科研。”这是北京航空航天大学（简称“北航”）材料科学与工程学院北航王华明教授及其团队多年来不懈努力的方向，也是他们未来持续发展的动力目标。


围绕大飞机等国家重大专项及重大装备制造业发展的战略需求，北航王华明教授带领他的创新团队，“产学研”紧密结合，经10余年持续研究，自主创新，发明了系列激光成形新工艺、内部结构控制新方法和大型工程成套新装备，使我国成为迄今世界上唯一突破该技术并实现装机工程应用的国家。该成果为钛合金、超高强度钢等难加工大型复杂关键构件的高性能、短周期、低成本、快速制造提供了技术新途径，对提升我国飞机、航空发动机等重大装备研制生产能力、提高性能、降低成本，具有重大应用价值和广阔应用前景。在2012年度国家科技奖励大会上，该项成果荣获国家技术发明一等奖，同时，这也是北航9年来获得的第八项国家科技奖励一等奖。


【致力材料科学研究，组建科技创新团队】


王华明是恢复高考后入学的第3批大学生，随后又获得硕士、博士学位，完成博士后研究出站后，进入北航。1992年，他获得德国“洪堡研究奖学金”，成为北航第一位“洪堡学者”赴德国深造。完成了在德国的深造后，德国的师友诚恳地挽留他：“这里的环境、条件都比中国好，留下来吧。”王华明坚定地回答：“我是中国人，学成回国，是很正常的事情。”


王华明从事的材料科学研究，在国家科学研究、国防建设与经济建设中占有十分重要的地位。一回国，他便组建了研究团队，开始了艰难的自主创新和研究工作。当时，实验室里连张像样的桌子都没有，可是他没有向学校、系里开口谈条件，提要求，而是自筹经费用于实验室的建设。


10年来，王华明累积自筹经费200余万元，其中至少有20余万元是他本人的劳务费用。为了支持这位默默奉献在教学科研一线的学者，学校为他落实了“激光材料制备加工与成形制造”研究条件的建设工作，支持该建设项目进入国家“211工程”重点建设计划，很快建成了“激光材料加工与表面工程实验室”，实验室在最近实施的国家“985工程”中又被学校继续列入重点建设计划。


刚起步的时候，他们的实验室只是北航校内一个不起眼的小院子，面积约1千平方米，天天经过门口的学生也对它难有印象。平常院子里偶见研究人员和实验工程技术人员忙碌进出，唯一引人注意的是，这个院子天天彻夜灯火通明。


然而，就是这个不起眼的小院子，既是高性能金属材料激光制备与成形教育部创新团队的研究基地，也支撑着北京市大型关键金属构件激光直接制造工程技术研究中心和大型整体金属构件激光直接制造教育部工程研究中心两个省部级工程研究中心。在这里，王华明带领他的创新团队，“产学研”紧密结合，十几年来围绕大飞机等国家重大专项及重大装备制造业发展的战略需求，致力于飞机、发动机等装备中钛合金、超高强度钢等高性能难加工大型复杂整体关键构件激光直接制造关键技术研究，创造了一个又一个奇迹。


谈到所取得的成绩，王华明总是感慨地说：“我们很幸运，赶上了国家拨乱反正、改革开放的大好时期，赶上了国家尊重知识、尊重人才的好政策，才有了我今天的一点点成绩，没有党的培养就没有我的今天。”


【发明“变形金刚术” 巧制飞机关键构件】


一束激光，有规则地在金属材料上游走，所过之处，金属神奇地生长。这束奇特的激光可以制造出飞机上任意一种复杂形状的大型零件，宛如“变形金刚”。这项神奇的“变形金刚术”在国际上首次全面突破了飞机钛合金大型复杂整体关键构件激光直接制造工艺、装备、性能控制和应用关键技术，建立了完整技术标准体系，研制出了拥有系列原创核心关键技术、迄今世界上最大的钛合金等难加工金属构件激光直接制造工程化成套装备，生产出了我国飞机中迄今尺寸最大、结构最复杂的高性能钛合金主承力关键构件。


传统飞机钛合金大型关键构件的制造方法是锻造和机械加工。也就是说，首先要熔铸大型钛合金铸锭、锻造制坯、加工大型锻造模具，然后再用万吨级水压机等大型锻造设备来锻造出零件毛坯，最后再对毛坯零件进行大量机械加工。整个工序下来，耗时费力，总花费要高达几十个亿，光大型模具的加工就要用一年以上的时间，要动用几万吨级的水压机来工作，要大量供电，甚至需要建电厂。模具加工出来后，再用它锻造出一个大型结构件的毛坯，然后继续加工各部位的细节，等到最后成形，几乎90％的材料都被切削、浪费掉了。


王华明和他的团队成员一直以来都有一个梦想——“如果有一天，中国飞机上许多关键大型复杂高性能主承力构件都能采用我们激光直接制造技术实现低成本、短周期、快速制造该多好啊！”这是支撑他们十多年如一日辛苦奋战在科研第一线的不竭动力。


张述泉2003年读硕士正式加入王华明研究团队时，正赶上激光增材制造技术从科研摸索阶段步入初步工程化阶段。他十分享受带着红外眼镜，守在机器旁看着一个150毫米的小零件在激光中慢慢“生长”出来的过程。


“那时候，七八个小时能做出一个A4纸大小的次承力结构件出来，我们都高兴得不得了。”然而他怎么也没想到，经过近10年的持续努力后，他们将会做出外廓尺寸超过5平方米的飞机高性能钛合金主承力结构件来。


张述泉的儿子出生时，正是攻关的关键时期，他只陪了家人两天就匆匆赶回实验室，如今，儿子已经两岁半，他每天跟儿子相处只有早上送她上幼儿园的那段时间。团队核心成员方艳丽直到她临产前两天还一直工作在实验室。


研制出的产品从150毫米到5平方米不仅仅是一个量的飞越，更是质的飞跃，其技术难度可想而知，经历的失败和技术研发的艰辛只有他们能体验和享受，用团队成员的话说，这叫“乐在其中”。


从2000年开始，王华明和他的科研团队启动攻关，围绕大型复杂零件锻造技术，不断创新，寻求突破，利用5年时间走出了一条与传统方法截然不同的新路子。


他们探索了一条做“加法”的高性能金属零件制造方式——通过计算机控制，用激光将合金粉末熔化，并跟随激光有规则地在金属材料上游走，逐层堆积直接“生长”，直接根据零件CAD模型一步完成大型复杂高性能金属零部件的“近终成形”制造。这就是高性能金属构件“激光增材制造”技术，它的特点——高性能、低成本、短周期则正好弥补了传统制造方法的不足，而且使得很多传统方法不能做出的构件成为了可能。


过去两三年才能做好的复杂大型零件，现在两三个月就能完成，而且只需两三个人在实验室里操作。如今，王华明找到的“变形金刚术”制作的零件已实实在在地装上了飞机，使我国成为继美国之后世界上第二个掌握飞机钛合金结构件激光快速成形及在飞机上装机应用技术的国家。


今年50岁的王华明在33岁时便被破格晋升为教授， 2000年以来，他牵头主持“国家自然科学基金重点项目”、“国家863计划课题”、“教育部跨世纪优秀人才计划基金”等重要科研项目20余项，授权发明专利6项，被评为长江学者特聘教授，获得了全国五一劳动奖章。


“他是我们学习的榜样。”提起师长王华明，他的博士张述泉总是竖起大拇指。“王华明老师常对我们说，党和政府为我们高校教师创造了这么好的物质条件与社会环境。做人最重要的是要有责任心，要尽最大努力把每件小事做好。”


【瞄准国家重大需求，产学研合作协同创新】


王华明始终认为所有的创新都是始于对实践和对现有知识的深度认识与灵活应用。要想创新必须脚踏实地，必须结合国家重大战略需求，创造具有实际价值的创新成果。十多年来，他这种追求创新的精神也潜移默化地影响了他们学生们。


2001年，汤海波考上王华明教授的硕士研究生时，王华明就已经在做激光增材制造技术。“当时王老师提出这个瞄准国家战略需求和国际学科前沿发展方向的研究领域，以及与我国主要飞机设计所、制造公司合作的这种产学研结合的模式，对我们研究生是一种很大吸引力。”汤海波毫不犹豫地选择了跟随王老师从事这方面的研究，如今他已经博士毕业留校，成为这个团队的骨干力量。


张述泉将团队的跨越式发展归功于设计所的主导需求牵引的产学研结合模式，“如果当时没有这种产学研结合的模式，没有国家重大需求的牵引主导作用，可能我们的研究进程就比现在慢，需求牵引、产学研融合协同的创新模式也在推动我们跨越式的发展。”


多年来，团队一直在与沈阳飞机设计研究所、第一飞机设计研究院、上海飞机设计研究院、中国燃气涡轮研究院、沈阳发动机设计研究所、沈飞公司、西飞公司、成飞公司、中航商用发动机公司、黎阳航空发动机公司、航天一院、航天三院等单位有着紧密的合作，取得了一系列的成绩。


我国自主研发的大型客机C919机头钛合金主风挡整体窗框，尺寸大、形状复杂，是空间双曲面构件。国内的飞机制造厂用传统方法无法做出，只有欧洲一家公司能做出来，但是光每件模具费就要价50万美元，而交货周期还要等两年。2009年王华明团队仅仅用55天时间就做出来，而且零件成本还不足欧洲锻造模具费的十分之一。大型客机研制中央翼一号肋钛合金上缘条，传统锻件毛坯重达超过1600公斤，而采用他们研发成功的激光直接成形技术制造出的精坯重量还不到137公斤，节省钛合金90%以上，切削加工重量还不到锻件的5%！


如今，团队的高性能金属构件激光增材制造技术已经属于国际领先水平，学校在北京市的大力支持下和中航工业集团公司合作，在北京组建了中航天地激光科技有限公司成果产业化基地，他们正在挑战新的任务——让这项创新技术成果从实验室真正走向工程化和产业化，为国家重大装备制造业技术进步发挥作用。


临别前，团队成员对记者说，在这个团队能有一种满足感、自豪感。或许这些是来自他们所为之奉献的目标——解决国家重大的战略需求，为了未来中国的飞机能真正made in China。



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