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【中国科学报】发力高端装备 圆梦工艺强国

文章来源:中国科学报 沈春蕾   发布时间:2019-06-27  【字号:     】  

  “我希望做一些原创性的东西。”近日,由快三投注平台宁波材料技术与工程研究所(以下简称宁波材料所)研究员张文武创作的科幻小说《未来星球2049》在线发售。然而,创作科幻小说只是张文武的一项“副业”。

  2012年,张文武回国加入宁波材料所,并创建了激光与智能能量场制造工程团队。他告诉记者:“团队在建立之初就立下目标,要做中国先进制造研发的国家队、先遣队,真正走到世界科技的前沿。”如今,这支团队正在钻研精密与极端制造工艺,筑“工艺强国梦”。

  从复杂异型孔说起

  进入21世纪以来,虽然我国制造业取得了突飞猛进的发展,但在先进制造方面自主创新能力不够强,高端领域的核心技术和关键元器件仍受制于人,主要问题正是先进材料和先进工艺。

  以飞机发动机打孔为例,“如果说航空发动机制造是制造业皇冠上的明珠,那其中的先进打孔就是明珠中的夜明珠”。张文武指出,由于现代飞机发动机的最高工作温度一般超过高温合金熔点300~500摄氏度,所以发动机涡轮叶片和燃烧室要保障结构的长期工作稳定性,就必须使用热障陶瓷涂层(TBC),还必须使用气膜冷却以隔离热流,形成充分的温度梯度。

  气膜冷却需要通过气膜孔来实现。“1985年,国外就开始使用复杂异型孔,其冷却效率是直孔的两倍,等效保护面积是直孔的十倍以上。”张文武介绍,“复杂异型孔相比常规直孔的加工要困难很多,我国尚未使用,但不使用复杂异型孔,国产发动机的代差就无法缩小。”

  那么,复杂异型孔是什么?在实验室里,张文武展示了用智能化激光加工出来的相关产品:在一块合金板上,一面是一个个针孔大小的孔,另一面则是一个个“猫耳朵”一样的开槽,这些井然有序排列着的气孔就是复杂异型孔。

  张文武解释道:“有了复杂异型孔,高速气流从针孔状的一面吹入,另一面出来的气流因为气孔的形状可以形成一层‘气膜’,进而成为航空发动机耐高温的‘金钟罩’。”

  “别看这小小的开孔,在没有智能化激光三维加工技术时,这些异型孔的加工是非常困难的。”张文武进一步说,耐高温是航空发动机的关键。传统加工技术不仅耗时多、精度低,同时还会在加工时形成细微的裂纹,为航空发动机的稳定工作埋下安全隐患。

  利用智能化激光三维加工技术,张文武团队已经打通了复杂异型孔加工的技术链条,正在把该技术应用于国产航空发动机和燃气轮机热端部件的孔加工,实现产业转化。

  组建智能能量场团队

  特种加工在前沿科技领域的应用很广,被誉为一个国家先进制造技术竞争的前沿领域。回国前,张文武在国外从事特种加工技术研究,并活跃在国际学术界,但他心中一直挂念着国内的发展。

  谈及为什么组建激光与智能能量场制造工程团队,张文武表示,广义能量是任何可以改变系统状态的能力。曾有同行专家评论,张文武已经把对制造工艺的研究上升到方法论和哲学层面。那么,智能是能量吗?智能与世界的交互作用怎么来量化测量?

  2010年,张文武在国外出版了智能能量场制造领域的第一本学术专著,对上述问题作了相关回答:“将智能用于集成、优化、控制能量场,实现各种能量和物质场从一种状态向更高价值状态的改变,比如,智能手机就是将信息能量集成为物质流、能量流、信息流,来实现其价值。”

  张文武喜欢写日记,工作中稍有思想火花,他都会记录在日记本里,如今日记本里的有些“思想火花”已经结出果实,比如他设计的水助激光加工技术,突破了透镜将激光聚焦让物体熔化溅射的传统方法,缩小了加工过程对物体产生的热影响区,为热敏感材料接近零热影响的孔加工探索出国际领先的中国工艺路线。

  “中外发动机大修周期相差3倍以上的一大原因是,国产发动机叶片采用激光冲击强化技术尚未成熟。”张文武发现,国内现有的激光冲击强化技术存在能量利用率低、约束层稳定性差、需要繁琐的前后处理等问题。

  针对这些弊端,团队发明了同轴送水加移动吸收层的工艺,不仅提高了能量利用率,还同时解决了现有技术约束层适应性差、加工效率低下等问题。“该工艺可以像激光焊接一样随动属件,不需要预先贴膜,处理速度提高至少十倍。”张文武说,“这个工艺拥有庞大的激光表面处理市场,该技术的产业化将把中国的激光冲击强化技术带进国际引领阶段。”

  大胆幻想带来的是更多原创性的发明。张文武团队发明了特种冷却减阻技术,为高速载人飞行扫清了一大技术障碍;发明了近光速粒子太空推进技术,为实现星际探索提供了新思路。

  “成果不服务社会就是浪费”

  “科研成果不产业化应用就不是完整的创新,不服务社会就是浪费。”近年来,张文武团队一直在推动技术成果的产业化工作。2013年,张文武与两位朋友共同创办了宁波晶钻工业科技有限公司,以生产金刚石及相应制品为主攻方向。2015年,张文武依托团队技术创办了宁波大艾激光科技有限公司(以下简称大艾激光)。

  张文武团队也得到中科院2018年度STS双创引导项目的支持。在各方支持下,团队先后研制出多款可广泛应用的高端激光加工产品,包括五轴联动激光精密加工系统CNC、五轴联动激光刃磨机、大尺度超高速激光表面清洗系统、单轴(双轴)便携式激光清洗机。

  长期以来,高端激光精密加工产品都由国外技术主宰,国内市场长期依赖进口。高端激光精密加工到底有何用途?张文武介绍,除了航空航天等高精尖领域需要大量使用激光精密加工,民生领域的复杂刀具加工是高端激光精密加工应用的主要场景之一。

  比如,在3C数码、大型电子器件等产品的生产制造领域,需要用到大量精密刀具对外壳、屏幕等材料进行切割。传统的普通刀具难以做到有效切割,只有精密的具备五轴甚至六轴功能的激光加工才可以胜任。

  “如何创造出我们自己的五轴联动激光精密加工系统是亟须解决的‘卡脖子’问题。”张文武团队在2017年研制出五轴联动激光精密加工系统,通过近两年的调试和验证,其稳定性及工艺均达到实战水平,能满足我国航空航天以及热控、模具、刀具等国家重大民生领域的高端装备需求。

  (原载于《中国科学报》 2019-06-27 第6版 转移转化)



(责任编辑:侯茜)

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