创新“钛”度驱动“中国智造”——记上海理工大学增材制造研究院院长王皞.pdf

26 科学中国人 2023年8月封二人物创新“钛”度驱动“中国智造”记上海理工大学增材制造研究院院长王皞皞唐慧乔 肖贞林 早在1791年，英国化学家格雷戈尔就发现了钛，然而提取单质的钛却屡遭失败。因为钛在高温下会变得十分活泼，在提炼的过程中会和空气中的氧、氮、碳等元素发生反应，直到1910年美国化学家亨特才第一次提炼出纯度达99.9%的金属钛。而钛金属易于与其他元素结合并“紧紧抱住”的特性，也使钛合金具有了异常稳定的特质。待到第二次世界大战之后，钛即以优质轻型耐腐蚀结构材料、新型功能材料和重要的生物工程材料的身份“横空出世”。经过数十年的发展，相关合金材料已达数百类，其因密度小、比强度高、耐腐蚀性好、高温和低温力学性能优良、生物相容性好等特点，以及储氢、形状记忆、高阻尼性能等特殊功能被广泛应用于各个领域。目前，钛工业的年均增长率约为8%，产生了巨大的社会及经济效益，对国防、国民经济建设和社会发展都具有极为重要的战略意义。对钛元素及其合金材料的探索和研究，也已成为世界各国大力布局的重要领域。与漫威电影中，钢铁侠将盔甲材质从最初的钢铁换作钛合金的情景类似，钛及其合金材料似乎代表着金属材料演进及应用的一个新方向。抛开故事的传奇光环，在实际的生产生活中，这种“未来金属”究竟蕴含了怎样的秘密？怎样进一步地了解它？如何让其在实际应用中发挥最大价值？这些都是上海理工大学增材制造研究院院长王皞在不断思索的问题。以算法触达钛的脉络1999年，作别故乡沈阳，王皞来到了南京大学攻读本科。彼时所学的凝聚态物理学对于材料学的天然“亲近”，以及南京大学丰富的专家讲座活动，让年轻的王皞接触到了航空航天新型材料这一领域并萌生了极大兴趣。了解越深，爱之愈切。王皞决心在这个领域扎下根来，而中国科学院金属研究所硕博连读的经历，成为他探索这个全新世界的第一段旅程。当时恰逢“神舟五号”载人飞船顺利升空，以此为标志，我国航空航天事业进入了大力发展的“上升期”，对飞行器及发动机相关组件的要求也随之提升，行业发展亟需材质轻、强度高、刚度好、耐腐蚀的新型材料为之“保驾护航”，而满足上述苛刻条件的钛基合金也就此“脱颖而出”，成为中国科学院金属研究所重点攻关的关键核心领域。提升使用性能、降低生产成本、缩减研发时间，是摆在中国科学院金属研究所钛基合金攻关团队面前的3个挑战。知其然，知其所以然，针对这些挑战，攻关团队迅速形成“理论计算+实验表征+生产应用”的全链条工作模式，从钛基合金最基本的原子成分入手，逐层开展微观缺陷行为微观组织演化加工使役性能关系研究，以服务于钛基合金优化设计。作为理论计算团队的一员，王皞也在这一过程中迅速成长，交出了极为亮眼的成绩单。据王皞介绍，钛基合金的优异性能主要源于其多层次的组织，但由于成型工艺路线长，其组织的控制颇具挑战性，常常造成发动机部件寿命大幅波动、起落架等承力部件的强韧性不足，影响钛合金的高效应用。就此，对它的组织和缺陷进行相关力学模拟，以理解其成型和使役过程中的失效机制就显得十分必要。以钛铝有序合金为例，在众多的钛基合金中，钛铝有序合金具有更低的密度，但其工作温度更高，自身的室温脆性和较差的工艺性能严重地制约了其广泛应用。随着计算能力的提高，新材料的研发初始阶段越来越多地采用高通量计算进行普查，且计算中逐步王皞2023年8月 科学中国人 27考虑材料性能相关的共性因素，如界面和缺陷的行为，将人工智能引入新材料的筛选有效提升了筛查水平。且由于结构材料的力学性质依赖于不同尺度的组织，需要集成多尺度模拟，其中不同尺度间的信息传递尤为重要，如借助电子结构计算结果构建原子尺度模拟所需的原子间势，而第一原理及原子模拟为微观组织模拟提供界面能等信息，更直接的层次间耦合仍须在模型和算法上进行探索。再加上对于材料的蠕变、疲劳等使役性能相关的研究，需要跨越不同的空间和时间尺度，特别是这些过程中的缺陷演化等问题，使原子尺度的长时间模拟方法逐渐得到发展，但仍需更高效的模型和算法以处理更复杂的体系。为此，在国家重点研发项目“航空用先进钛基合金集成计算设计与制备”中，王皞所在的理论计算团队勠力同心，通过发展新型原子间势、长时间原子模拟、组织模拟等多尺度方法，构建钛合金高通量多尺度计算设计平台，以揭示缺陷的形成、积累及裂纹萌生的规律，甄别不利因素，为探寻材料性能优化途径提供重要依据和数据保障。以此为开端，针对国内在先进钛基合金的计算设计方面存在的差距，王皞不断钻研，力求弥合这一严重影响我国合金研发的缺陷。王皞针对微观变形机理，考察了金属及合金塑性变形中多种原子过程，系统展示了位错通过偶极型反应导致强化及点缺陷过程，揭示了塑性变形下局部晶体取向转变等新型相变和孪晶机制，在原子尺度模拟软件开发、缺陷长时间演化行为、钛铝合金微观变形机制和加工使役性能优化、高温钛合金微观变形机制和显微组织优化设计及亚稳钛合金微观变形机理和优化设计等方向展开研究，就点缺陷长时间演化、非绝热位错湮灭行为、钛铝合金新型孪晶机制、金属钛晶界变形新过程等难点问题提出“新解法”，为航空用高温钛合金及钛铝合金、海洋和医用钛合金等新材料的成分设计、组织控制和工艺优化奠定了理论基础。与此同时，王皞也在超级计算机领域持续发力，着力对微观尺度的几类主要算法进行自主化开发。青出于蓝而胜于蓝，在借鉴和引进国外已有算法的基础上，王皞及其团队的自主化研究衍生出很多新的算法，经过中国科学院超算平台的验证，这些算法“效果也很好”。相关成果也为王皞赢得了2014年度中国科学院沈阳分院优秀青年科技人才奖、2015年中国科学院青年创新促进会会员、2017年辽宁省百千万人才工程等重要荣誉，王皞还以第二完成人的身份获得第二届中国科学院超级计算应用奖和中国科学院超级计算优秀团队奖。“焚膏油以继晷，恒兀兀以穷年。”回顾一路走来的研究历程，王皞沉吟片刻，感慨地说：“科学研究，可能大部分时间是在挫折和迷茫中度过的，成功的时候其实很少。这就像运动员，一年有360多天都在训练，最后一两天去比赛，足够努力、足够幸运才可能获得一块奖牌。我做的计算设计工作，也是每天写代码、找漏洞，摸索和思考是常态。人类文明走到21世纪，已经不再会有很简单的问题留给我们了。想要解决问题，就要有直面挫折的坚定的心。也许重复一万次都是失败，但是坚持下去，或许在第一万零一次就突然有了突破。即使没有突破，也到达了别人未曾到达的地方。在这个过程中，从基础研究的角度不断深入，得以接触钛这种金属的更多秘密，这或许才是我和我的团队醉心科研的根本原因。”突破瓶颈推动产学研创新在钛基合金计算设计领域深耕日久，王皞在日复一日的工作中产生了新的思考：一方面，他感觉到了“贫乏”，走过长长的基础研究之路，新思路新灵感“到访”次数越来越少；另一方面，他也期待“落地”，在他看来，钛基合金乃至各类新型材料尚有许多可能，不该囿于技术和成本的限制，仅在航空航天等高端领域发挥作用。上海理工大学增材制造研究院揭牌仪式28 科学中国人 2023年8月封二人物很快，王皞就遇到了“知音”。2018年，上海理工大学增材制造研究院成立，秉承立足国内、海纳百川的办学思想，增材制造研究院聚焦增材制造在航空航天、新能源、医疗领域应用的基础科学问题和关键技术，从专用材料、工艺、后处理与功能化以及质量保障的一体化增材制造创新链研究出发，开展增材制造技术相关的基础研究、应用研究和工艺技术开发等工作。这种又称为“3D打印”的新型技术，融合了计算机的图形处理、数字化信息和控制、激光技术、机电技术和材料技术等多项高技术的优势，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品。与传统的、对原材料进行去除和切削、组装的加工模式不同，增材制造是一种“自下而上”通过材料累加的制造方法，从而使过去受到传统制造方式的约束而无法实现的复杂结构件制造变为可能。这也促使此项技术迅速成为我国“十四五”规划、中国制造2025等国家战略中大力发展的重点方向。智能材料制造领域的发展潜力，让“学材料出身”的王皞感到了久违的兴奋。以服务国家重大需求、突破自身研究瓶颈为出发点，王皞接住了上海理工大学递出的橄榄枝，于2020年正式前往这所大学，就此展开一段全新的科研历程。来到上海，还没来得及收拾行装，王皞便迅速投入到自我调整的过程中。对于增材制造，王皞的理解是：“增材制造只是一个成型方法，除了追求更高的性能和更低的成本外，更重要的是要实现传统制造不容易或者根本就无法生产的产品。”故此，他站在原有基础研究造就的坚实地基上，着重开展增材制造技术的应用和相关产品的制造工作。在了解材料属性的基础上，如何用好这种材料？如何调控材料固有的缺陷？怎么去除这些缺陷？怎么评价这些缺陷？如何实现新的结构与功能？这些问题都成了王皞不断询问、不断探索的新方向。经过初期建设，目前增材制造研究院已具备增材制造全流程制造、后处理和分析检测设备，是国内设备种类最齐全、最先进、流程最完整的增材制造研究机构之一。站在这样的平台上，王皞带领团队奋勇向前，收获累累硕果。以由中广核工程公司牵头、上海理工大学作为主要参研单位的核电设备关键组件项目为例，相关成果于2019年12月在河北顺利通过由中国核能行业协会组织召开、中国工程院叶奇蓁院士担任评审组主任的项目鉴定会。这项成果为中国核电行业首个通过产品鉴定、具备装机应用条件的增材制造金属核电部件，对于推广3D技术在核能行业的应用具有重要意义。增材制造研究院团队在产品设计优化、生产过程优化、处理工艺开发、微观结构与性能改善机理研究方面开展了系统深入的研究工作，实现了材料整体性能的提升。同时，团队高度参与了过程控制文件的制定，确保综合性能优于传统制造的3D打印核电部件产品的稳定制造。鉴定会现场，经评审专家现场见证应用性能测试与评价，项目成果3D打印组件产品性能全面优于传统设计组件，被认为具有良好的推广价值。评审专家委员会通过现场产品性能测试、实物整体质量查勘，以及现场答辩讨论后，给予项目及其成果高度认可。项目研制成果属国内首创，填补了我国核电领域应用的空白，总体技术达到国际领先水平，具有良好的经济效益、社会效益和推广应用前景。此外，依托上海本地在航空航天、医疗健康、船舶制造、医疗服务等领域的优势，王皞及其团队进一步拓展以钛基合金为主的多层面应用合作。目前，研究院已与中国商用飞机有限责任公司、中国航空发动机集团有限公司、中国航空工业集团有限公司、上海微创医疗器械（集团）有限公司等知名企业建立深入合作关系，为国产大飞机、航空发动机、核电、医疗等行业发展提供强大助力。提及研究现状，王皞坦言，科研之路就像一条蜿蜒而上的河流，时有奔涌的王皞（左三）团队合照2023年8月 科学中国人 29喜悦，亦有艰难的浅滩“我们现在遇到最有挑战性的问题就是，在增材制造过程中，如何评估缺陷对产品使用性能造成的影响。由于增材制造的成型方式与传统成型方式完全不同，所以产品成型之后，材料的内部状态也是不一样的。这样带来的直接结果就是，在传统制造过程中，比较成熟的、对于缺陷造成影响的评估标准不能够照搬到增材制造中来。一个产品做出来，能不能用、敢不敢用，我们没有评估的标准，目前只能用实验法。就是从做出来的部件中拿出一个或几个去做实验，实验结果做出来，才知道这个产品是否可用，这对于推动增材行业发展进程无疑是一个巨大的不利因素。无论是从提升产品质量，或是提升产品生产效率的角度出发，这都是要集中力量解决的首要问题。而我和团队要做的，就是努力建立增材制造缺陷的评价标准，让增材制造产品产业化的明天尽快到来。”吾辈自有后来人从中国科学院金属研究所的骨干成员，到上海理工大学增材制造研究院院长，王皞自认最大的变化是更多地和学生特别是本科生有了“交集”。在授课的过程中，王皞也敏锐地发现了学生之间的“断层”所在“本科生和研究生之间，最大的不同可能存在于学习方式和工作方式上。”王皞解释道，“本科阶段，大多数学生都处于基础学习的阶段，对学以致用尚无太多理解，他们习惯了理论学习+标准化评价的模式，是被老师引导、推动着向前走的，自驱力往往不足。而4年之后，当他们就读研究生，需要自己去找问题、解决问题的时候，就会变得很迷茫。不少学生的迷茫期甚至要持续3个月之久，完全不知道自己要做什么。这都是因为学习方式和工作方式变了，相应的评价体系也变了。”从自身的经历出发，王皞深知，学习不能只停留在书本上。这不仅会养成学生的思维惰性，更会加剧其与实际产品、实际应用的割裂。为了扭转这一情况，王皞在本科教学过程中，着重增加“实际”在授课内容中的比重，如以已经落地的应用案例为切入点，让学生了解相关技术可以产出怎样的产品、相关产品在使用过程中会呈现怎样的状态、制造或使用这类产品需要具备怎样的条件、从业者将如何调控产品的主要性能让学生“眼见为实”，逐步萌发关于专业、相关行业乃至整个产业的初步理解，进而寻求自己的兴趣所在，推动学生以兴趣为原点展开自主学习。而对于研究生，王皞更侧重于倾听和引导：“对于迷茫期的学生，我不会强求他迅速进入积极状态。而是在开导聊天的过程中，逐步传授相关知识，帮学生克服畏难情绪。之后引导学生去看看行业目前的发展状况，培养其解决问题的能力，才是我们教育的意义所在。”“尽量少给标准答案，尽量多给一些开放性的内容”，在王皞这两个“尽量”的作用下，上海理工大学增材制造研究院目前有在读研究生50余名，获得2018年第五届上海市大学生新材料创新创意大赛三等奖、2019年“华为杯”第十六届中国研究生数学建模竞赛三等奖、2020年第七届上海市大学生新材料创新创意大赛二等奖和三等奖等重要奖项，上海理工大学增材制造研究院的学生正茁壮成长为新型材料及高端制造领域的有生力量。王皞曾有为期1年赴法国学术访问的经历。在此期间，他意识到，当时我国在相关领域与法国等欧美国家的差距，不仅存在于基础研究和大规模生产层面，更体现在一些具体的研究思路和研究方法，以及据此形成的基础研究端和实际应用端之间成熟的合作机制上。这给了王皞很大的启发。赴任上海理工大学增材制造研究院院长以来，王皞也在积极布局连通不同板块的协作体系。对内，他积极建设教研团队，目前已形成包含材料研究、工艺研发、生产流程等层面的7人团队，其中1人获青年东方学者，2人获2019、2020年上海市扬帆计划，2人获2019、2020年上海理工大学“思学计划”。对外，他积极运用区位优势，不断探索新型材料在更多领域应用的可能性，目前增材制造院与周边企业合作建立了上海高性能医疗器械材料工程技术研究中心生物医用材料3D打印创新中心、上海理工大学微创联合实验室等，团队也积极参与了国家增材制造创新中心、大飞机增材制造协同创新联盟（理事单位）、民用飞机材料产业发展联盟、上海航空增材制造研究院、商飞创新谷等项目，团队成员担任中国材料学会计算材料学分会委员、上海市增材制造标准化技术委员会委员、中国材料与试验团体标准委员会/民机材料领域委员会委员、中广核核电安全监控技术与装备国家重点实验室客座研究员等。“随着科研和生产水平的逐渐提高，钛基合金将会出现在更多突破传统的场景中，仍有极大的应用潜力和增长潜力。而随着冶炼工艺和加工技术的提高，特别是增材制造技术的成熟，其原料成本和加工成本都会逐步降低，钛基合金在医疗器材、海洋开发、深海应用等层面的应用同样潜力巨大。同时，与传统钢铁和高温合金相比，钛基合金仍须在绝对强度和服役温度等方向上做进一步的研究。从这个意义来说，我们的科研之路还很长，所幸我始终走在路上。”王皞坚定地说。科封二人物（正文见26页）王皞皞，上海理工大学材料科学与工程学院/增材制造研究院特聘教授。长期从事金属结构材料研究，建立了面向钛基合金等先进结构材料的集成计算和数据平台及增材制造全流程仿真平台，开展合金成分、微观机理、显微组织、成型工艺等多角度模拟和实验研究，为合金设计、性能预测、工艺优化和产品评价提供理论和方法支撑。先后主持国家自然科学基金项目、辽宁省自然科学基金重点项目、云南省重大科技专项子课题等纵向课题以及企业横向课题等20余项，发表科学引文索引（SCI）论文70余篇，入选辽宁省百千万人才工程、中国科学院青年创新促进会、沈阳市高层次人才拔尖人才，获中国科学院沈阳分院优秀青年科技人才奖、中国科学院超级计算应用奖最佳应用奖、中国科学院超级计算优秀团队奖等。经过数十年的发展，钛相关合金材料已达数百类，其因密度小、比强度高、耐腐蚀性好、高温和低温力学性能优良、生物相容性好等特点，以及储氢、形状记忆、高阻尼性能等特殊功能被广泛应用于各个领域。目前，钛工业的年均增长率约为8%，产生了巨大的社会及经济效益，对国防、国民经济建设和社会发展都具有极为重要的战略意义，钛及其合金材料已成为金属材料演进及应用的新方向之一。在实际的生产生活中，这种“未来金属”究竟蕴含了怎样的秘密？怎样进一步地了解它？如何让其在实际应用中发挥最大价值？这些都是上海理工大学增材制造研究院院长王皞皞在不断思索的问题。创新“钛”度驱动“中国智造”记上海理工大学增材制造研究院院长王皞皞