先进成形技术方兴未艾 取长补短助力航空制造——访国家“千人计划”专家，南方科技大学讲座教授朱强

本刊记者 李 丹

朱强：由美国麻省理工学院始创于20世纪70年代的半固态成形技术是对具有一定体积分数近球状颗粒的固-液混合浆料进行压铸、挤压或模锻成形的技术。自创始之初该技术便得到了金属成形领域的普遍重视，已先后对铝、镁、铜、钢铁等合金和复合材料在半固态成形理论和工艺试验等方面开展了广泛的研究，其中对于铝合金半固态成形技术的研究发展尤其迅速。目前在发达国家如北美、欧洲、日本、韩国等已经趋于成熟并得到工业界认可，逐渐应用于汽车、工程机械及电子产品等领域高端铝合金零部件制备生产。我国半固态成形技术研发始于“九五”期间，在国家科研项目的大力支持下，经过20多年的发展，目前也已逐步进入到工业化推广应用阶段。“十二五”期间，我们成功开发了高固相率铝合金半固态压铸技术，制备的汽车涡轮增压器压叶轮、电动大巴骨架接头、制动卡钳以及通讯转杯合路器等汽车结构和通讯产品性能优异，通过包括康明斯、ABB、东风、比亚迪、华为等在内的多家国内外知名企业验证，展现出了广阔的应用前景。半固态压铸成形技术已经列入国家“十三五”重点研发计划，推进半固态成形技术在汽车底盘结构件（如转向节、控制臂等）和动力系统悬置支架类产品（如发动机支架、变速箱支架、转向柱支架等）制造上的应用。此外，该技术也已被列入国家节能与新能源汽车技术路线图。

相对于传统的铝合金成形技术，半固态加工成形制造具有低成本、高质量、高性能的显著优势。传统液态铸造工艺成本较低，但产品组织粗大、有铸造缺陷、力学性能较低。锻造成形产品组织细小均匀、无铸造缺陷、力学性能优异，但工艺成本较高且难以直接成形复杂形状零部件。铝合金半固态成形技术采用已部分凝固的高粘度金属浆料成形，易实现对浆料流动形态的有效控制，避免氧化夹杂及气体等卷入缺陷，产品致密度高，可采用T6热处理强化，同时其凝固过程体积收缩率小，易于实现近净成形和智能化生产。因此，半固态成形技术既可以获取同锻造成形相近的力学性能，成本却与铸造成形相当，产品性价比高，可实现以铝代钢/铁，助力于汽车行业实现轻量化。

随着复合材料技术的发展，铝合金在民用飞机用材中所占比例在逐代地缓慢下降，尽管如此，金属合金在当代民用客机上的铝化率仍不低于70%。所有的铝材（板、箔、管、棒、型、线、模锻件、压铸件、铸件等）都在飞机上获得应用，其中锻件及铸件约各占铝合金适用总量的15%。在现代飞机结构件中，有大约1000种铝合金铸件，其中大部分使用砂型铸造成形，如果使用半固态成形，可以进一步提高产品的冶金质量和物理力学性能，提升产品结构优化的空间，实现进一步减重。针对变形铝合金可采用高固相率半固态锻造技术提升材料的变形性能，降低工艺成本，同时还可获得更高的力学性能。综上，半固态成形技术在航空减重方面同样具有相当的应用价值。

我们团队通过温度场和成分控制理论技术研究，发现细小和球状晶粒颗粒组织的内在规律，实现组织的控制，为后续半固态、金属粉末注射成形以及3D打印成形技术的实现创造组织保障。研究颗粒材料在成形过程中的多相流动内在规律，发展多相流模型和计算机模拟技术，优化成形工艺，实现半固态、金属粉末注射成形以及3D打印技术。

朱强：除缩短制造周期、降低制造成本以及提高产品性能外，3D打印技术还突破了传统工艺对于复杂结构产品难以加工或无法加工的局限，实现真正意义上的自由制造。我国3D打印虽然起步比国际发达国家晚，技术相对落后，但拥有全球最大的3D打印潜在市场和成本优势，国家相继出台的扶持政策，有利于中国3D打印市场发展。在《中国制造2025》纲要中，3D打印技术被提升至国家战略发展高度，在我国由“制造大国”向“制造强国”转型升级的进程中，该技术无疑将成为重要的推动力量之一。考虑到南方科技大学的发展定位，同时结合自己长期在金属控制凝固、金属加工以及在高温合金材料等方面的科研背景，我将科研兴趣重点转向金属3D打印技术的研究。在入职南科大后，我作为学术带头人申请成立了“深圳市高机能材料增材制造重点实验室”，我们在近2年内将致力于包括钛合金、高温合金、模具钢、铝合金在内的多种3D打印材料的开发、3D打印工艺技术开发、3D打印全流程数值模拟方法研究以及3D打印缺陷在线检测及控制技术研究。同时，我们将整合南科大校内材料科学与工程、机械设计制造、智能控制及电子工程等方向的智力资源，力争在5年内开发自有知识产权大功率激光器及3D打印智能装备。实验室将积极寻求突破，与深圳市产业转型升级协同发展，从原料端为深圳市乃至广东省在全国3D打印市场中争得一席之地。增材技术亦将是实验室的特色与重点方向之一。与此同时，还将进行关键元器件、集成系统和成套设备开发，带动打印服务、技术解决方案等相关配套产业，逐步构建完整的生态产业链，助力深圳在全国乃至全球3D打印技术发展浪潮中抢占先机。

当前我们仍处于初期积累阶段，主要研究工作包括基于粉末床3D打印高温合金的裂纹行为及微合金化设计技术、3D打印残余应力预测及控制技术等。同时，我们还在开发基于常规加热方式（非激光/电子束等高能束流）的金属直写技术，旨在提高制造效率，降低金属增材制造装备及工艺成本。

朱强：自改革开放以来，经过不断地向发达国家学习，国内的技术产业化模式不断改革和发展，已经接近于发达国家的模式。技术从基础研究到规模生产应用，要经过基础科学技术研究、应用技术研究、商品开发研究、生产工艺开发、规模生产9个技术成熟度阶段。大学和科研院所主要承当从基础科学技术研究到部分应用技术研究；企业主要承担从生产工艺开发到规模化生产技术的研究；而中间环节是缺乏的。这也是我国基础技术研究成果到商品开发和规模生产转化率较低的主要原因之一。这个成果转化需要多方协同配合。国内在技术产业化上面临的主要困难包括：基础研究成果的成熟性和适用性较差，偏离了市场需求；大部分企业缺乏主动吸纳高新科技成果的意识，且吸纳能力有限；大学、科研院所与企业之间缺乏交流的创新网络。

我们在半固态技术产业化的过程中就遇到了这些困难。一方面，我们改进原有的技术，使其具有更好的实际生产适用性；另一方面，我们协助企业构建研发团队，增强其技术吸收能力；再一方面，我们主动与企业交流，搭建高校、科研院所、企业三者互动的交流平台。经过多方面的努力，我们打通了从基础科学技术研究到规模生产的整个流程，实现了半固态技术的产业化应用。目前国内已经应用我们开发的技术建立了多条自动生产线。

朱强：南方科技大学是一所新的学校，正因为新，所以她充满了活力，充满了无限的可能。我从考大学开始，始终在做着研究。如今，半固态生产技术已经实现产业化，那么我也可以进行下一阶段的研究旅程了。或许有人会说坐享自己的研究成果，再做进一步的工作，这样不好吗？相比享受成果，我更喜欢研究过程，我希望突破自己。所以，我选择南科大。南科大，她充满朝气，洋溢着深圳快速和不断创新的发展气息；她深含内蕴，流动着科技学术创新的风向。这里有很好的平台，有很大的发挥空间，更有很多志趣道合的伙伴。所以，我渴望在这里见证一个突破的自己，一个成长的南科大。她的魅力深深吸引了我。

多个研究兴趣的产生得益于早前的科研经历，那是一笔非常宝贵的财富。有8年时间我在英国谢菲尔德大学和剑桥大学任研究员，从事金属材料热变形行为和组织化研究。重点研究基于热变形过程中温度场合形变场不均匀性及其对组织变化的影响，进行在线监测和控制技术研发。温度场、应变场及金属和模具交互作用产生的不均匀性产生耦合作用，会对金属变形过程中的位错以及随后的恢复与再结晶行为产生干预，从而影响产品的品质。结合自动控制、机械工程及冶金材料技术多学科交叉，全球首次发展了“Hybrid Modelling”，并成功应用于热加工过程的在线监测和控制。这在金属材料领域最高水平Acta Materialia上成功发表后，被评价为“为热加工过程模拟和控制提供了一个崭新的技术”。因此研究成果，我受邀在加拿大铝业和德国西门子公司以及爱尔兰根大学等进行学术交流。后来在英国Cummins Turbo Technologies Ltd.任首席冶金与材料工程师，从事全球涡轮增压器材料的选择和零部件制备技术的研发。带领研发团队先后成功研发高温合金精密铸造、粉末注射成形工艺和压叶轮铝合金锻造工艺及半固态压铸工艺，为公司节省数十亿美元并提高产品寿命近10倍，先后代表涡轮增压技术分公司向总公司President和CEO汇报。于2004年和2006年两次获得公司唯一的Steve Power科技进步奖和2009年北美半固态/挤压铸造科技进步大奖。因半固态压叶轮技术，受邀在极具权威的两年一次的国际半固态大会上作大会（2010年）特邀报告（Invited Keynote Lecture）。

2010年，加入北京有色金属研究总院，组建了北京市金属先进成形制造工程技术研究中心，发展了半固态成形、激光增材制造、特种铸造、金属粉末注射成形、计算机模拟和辅助设计以及失效分析6个研究领域。

事实告诉我们，学会正确地管理自己的时间，分配自己的时间，你完全可以做更多你想做的事情，而不会捡了芝麻丢了西瓜。一加一可以大于二，可能会大很多（这可能是个哲学问题）。同时，建立一支有活力、对科研充满热情的团队是非常必要的。加强科研团队建设，在学术负责人带领下，组建一支包括学术负责人、核心成员、技术骨干及相应辅助工作人员在内的具有国际水平的学术研发团队。专人负责，分工明确，发挥专长，有效地提高科研效率，也为有想法、有志于在该领域发展的年轻人提供一个发展的舞台，吸纳博士后、研究生等青年才俊加入。坚持在理论指导下引领技术创新，在科研活动中大胆创新，保持活力，保持研发成果和研发团队世界一流的同时，培养一批金属成形领域的高层次人才。