一个笔者有关西工大凝固技术国家重点实验室的心声

江南烟雨人

为什么是西北工业大学

三维打印是当今风靡世界的前沿新技术，一般人会以为这是电子或控制领域的科研人员所从事的研究领域。然而，中国当前三维打印工作最出色的单位之一，却是发端于原来搞铸造的西北工业大学凝固技术国家重点实验室。铸造领域的研究人员，为什么会成为三维打印领域的专家？三维打印怎么会与铸造关联起来？这一切为什么会发生在西北工业大学？记者在求教于黄卫东教授后得知：

原来，公众俗称的三维打印包含了很多种专家们称谓的“快速成形”“实体自由成形”或“增材制造”技术。这些技术有一个共同的材料成形原理，就是基于数字化信息和控制逐渐添加材料以形成所需要的零件或产品。“快速”和“自由”是指这种技术改变了通常材料成形复杂形状零件时对模具的依赖。“增材”则是这种技术是通过逐渐添加材料的方式来形成实体产品，一改以往所有的机械加工都是通过逐渐去除材料来成形实体产品的“减材制造”思路。由于添加材料的方式可以是无限丰富的，从而可以有无数种技术细节不同的三维打印技术。

西北工业大学所发展的“激光立体成形”三维打印技术，除了共同的“增材成形”原理之外，采用的是“同步送粉激光熔覆”的方式来堆积金属材料。具体说，就是采用一束高功率激光在一块金属基材上烧出一个微小的液态熔池，通常在1毫米到数毫米之间。然后，用一个带聚焦喷嘴的送粉器把金属粉末送到熔池中去。金属粉末在高温的液态熔池中迅速熔化，而当激光束移开之后，这些熔化的粉末又迅速重新凝固成为固体，但这时它们已经同基体材料牢固地结合在一起了。因为送粉、熔化、凝固过程是连续进行的，可以根据需要堆积出几乎任何形状的产品来。其技术的核心是金属材料在数字化控制之下的连续熔化和凝固过程。同铸造的关联，正在于这个“熔化”和“凝固”过程。

在“激光立体成形”技术诞生之前，所有的三维打印技术制造的产品，在其坚固程度上都远不能同铸件和锻件产品比肩。而“激光立体成形”技术制造的产品，在力学性能上却远优于铸件，而达到了锻件的水平。因而，“激光立体成形”是三维打印技术中，能够获得极高力学性能产品的一种特色鲜明的技术。西北工业大学凝固技术国家重点实验室可以实现预期的极高力学性能金属零件的“激光立体成形”，其秘诀恰恰在于他们是搞铸造出身的，对金属的熔化和凝固过程的科学认识和技术控制能力，远比从事其他专业涉足三维打印技术的专家在行。事情往往就是这样奇妙，原以为难以关联而令人困惑的事情，却恰恰有着最自然的内在关联。没有充分的材料科学基础的研究人员，往往把激光成形工艺的研究作为一个纯粹的试验探索，试图通过大量盲目的试验去寻找工艺规律。但对于激光成形这样涉及到太多影响因素的过程，盲目试验的成功机会很少。黄卫东的技术团队利用在凝固理论和材料科学方面深厚的理论功底，对各种重要合金体系激光成形过程的熔化、凝固和后续热处理的固态相变过程进行了系统深入的科学研究，奠定了激光成形过程的材料科学基础，成为世界上激光成形领域发表材料组织形成规律科学论文最多的团队。

他们能够在三维打印这样一个前沿技术领域大展身手，其秘诀还在于他们能向工业界提供包括材料、工艺和装备的完整的技术体系。记者注意到，同样来自凝固技术国家重点实验室的张立同院士以在陶瓷材料领域的杰出成就而获得2004年国家技术发明一等奖，其成果最鲜明的特点是，成果向工业界提供的是包括材料、工艺和装备的完整的技术体系。产学研一体化就是这个实验室最具特色的技术创新传统。

一个国家重点实验室走出了三位两院院士，也为实验室奠定了求新务实的学术传统，培养了一大批十分优秀的后继人才。黄卫东的导师周尧和院士是一位杰出的教育家，他培养的学生中，有九位是长江学者或国家杰出青年科学基金获得者，一位已经成为中国科学院院士。周院士把自己培养学生的经验总结为“从严、重导、求新”。师承了导师传统的黄卫东，在创新性思维和能力训练方面有独到的见解，他坚持要求研究生都要自己设计制作实验装置，让学生们在非常辛苦的设计制做实验装置中，具备较强的动手能力，特别是研制装备的能力。

基础科学研究很多时候可以是少数人甚至单个人的活动，但应用性研究，特别是工程化研究则必须是团队协同才可能有所作为。在多年的研究中，黄卫东言传身教，将对先进技术的不舍追求、锲而不舍的钻研精神、永不停息的技术创新意识、团结和谐的团队精神和对用户高度负责的诚信意识灌输到团队每一个人。

激光熔覆制备大面积涂层，工艺非常不容易控制，非常容易裂，而用多层熔覆的方式来成形大体积的实体零件就更容易开裂。用了整整两年时间的艰苦研究，才从理论到工艺上搞清了影响激光熔覆层开裂的主要材料因素和工艺因素，确定了可进行激光立体成形的材料和工艺路线，解决了当时一些易裂合金，如硬质合金、高温合金的大体积熔覆沉积问题。同时，解决了精确送粉，变形控制组织、性能调控等关键技术，成形出形状精致、高性能的零件。

正是有了这碗垫底的技术“酒”，2001年在争取一个重大科研项目的时候，前一个申请项目被专家们质疑了一个小时，主要是质疑激光成形技术上的可行性。轮到黄老师答辩的时候，专家们只问了5分钟就通过了项目。原因是黄老师带去了一个形状精美的激光成形样品，用实物将专家们的所有担心都消融了。一次，黄卫东团队带到一个项目成果汇报会给专家们传看的样品在会后不见了踪影，制作这个样品的学生心里非常难过。黄老师安慰他说，有人愿意收藏，说明对你的工作高度肯定，你应该高兴才是啊！直到很多年后，黄老师在一位重要领导的办公桌上看到了这个样品，这位领导说，他很喜欢这件样品，已经在办公桌上摆了很多年了。这位领导当时并不在现场，不知是哪一位十分欣赏这件样品的专家把它献给了这位领导。

黄卫东告诉记者，重点实验室这些年能取得丰硕成果，还有一方面重要原因，这就是实验室的几位院士长期的关怀、支持、鼓励和时常提出的指导性意见，以及西北工业大学从校领导到各个部门的支持帮助。

他说，张立同院士就特别看好和支持自己的学生在激光成形方面所做的开创性研究工作，并以自己成立工程技术中心和产业化公司的理念和实践经验，多次给以指导和启发。校外的很多的专家、院士和国家有关部门的领导和工作人员都对西工大激光成形研究工作给予了无私的支持帮助。

一项技术在工程化研究和产业化转化阶段，往往涉及到很多政策性问题和多部门的协调，仅靠重点实验室的力量就显得过于单薄了。2011年，西工大正在进行人事制度的大调整，暂时冻结了人事指标。可实验室的发展急需相关人才，为了解决攻关团队的技术骨干问题，学校特批留下了杨海欧博士和谭华博士，为实验室特批留下了所需人才，令其他亟待进人而不能如愿以偿的科研团队羡慕不已；实验室需要科研、实验场地，学校大方地拿出2500平方米的库房，并安排翁志黔副校长具体负责指挥协调相关工作。在激光成形工程技术中心的运行机制和工作场地的建设中，涉及到很多事先想不到的复杂问题，翁校长以极大的热情、非凡的魄力、机巧的智慧和她广泛的影响力解决了很多难题，保证了工程技术中心的及其工作场地的按时建成，对西工大激光成形事业的发展做出了不可替代的贡献。

（转自丁建文采访录）