張文武

“我希望做一些原創(chuàng)性的東西。”近日，由中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所（以下簡稱寧波材料所）研究員張文武創(chuàng)作的科幻小說《未來星球2049》在線發(fā)售。然而，創(chuàng)作科幻小說只是張文武的一項(xiàng)“副業(yè)”。

2012年，張文武回國加入寧波材料所，并創(chuàng)建了激光與智能能量場制造工程團(tuán)隊(duì)。他告訴記者：“團(tuán)隊(duì)在建立之初就立下目標(biāo)，要做中國先進(jìn)制造研發(fā)的國家隊(duì)、先遣隊(duì)，真正走到世界科技的前沿。”如今，這支團(tuán)隊(duì)正在鉆研精密與極端制造工藝，筑“工藝強(qiáng)國夢”。

從復(fù)雜異型孔說起

進(jìn)入21世紀(jì)以來，雖然我國制造業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，但在先進(jìn)制造方面自主創(chuàng)新能力不夠強(qiáng)，高端領(lǐng)域的核心技術(shù)和關(guān)鍵元器件仍受制于人，主要問題正是先進(jìn)材料和先進(jìn)工藝。

以飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)打孔為例，“如果說航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造是制造業(yè)皇冠上的明珠，那其中的先進(jìn)打孔就是明珠中的夜明珠”。張文武指出，由于現(xiàn)代飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的最高工作溫度一般超過高溫合金熔點(diǎn)300～500攝氏度，所以發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片和燃燒室要保障結(jié)構(gòu)的長期工作穩(wěn)定性，就必須使用熱障陶瓷涂層（TBC），還必須使用氣膜冷卻以隔離熱流，形成充分的溫度梯度。

氣膜冷卻需要通過氣膜孔來實(shí)現(xiàn)。“1985年，國外就開始使用復(fù)雜異型孔，其冷卻效率是直孔的兩倍，等效保護(hù)面積是直孔的十倍以上。”張文武介紹，“復(fù)雜異型孔相比常規(guī)直孔的加工要困難很多，我國尚未使用，但不使用復(fù)雜異型孔，國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的代差就無法縮小。”

那么，復(fù)雜異型孔是什么？在實(shí)驗(yàn)室里，張文武展示了用智能化激光加工出來的相關(guān)產(chǎn)品：在一塊合金板上，一面是一個(gè)個(gè)針孔大小的孔，另一面則是一個(gè)個(gè)“貓耳朵”一樣的開槽，這些井然有序排列著的氣孔就是復(fù)雜異型孔。

張文武解釋道：“有了復(fù)雜異型孔，高速氣流從針孔狀的一面吹入，另一面出來的氣流因?yàn)闅饪椎男螤羁梢孕纬梢粚印畾饽ぁM(jìn)而成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)耐高溫的‘金鐘罩’。”

“別看這小小的開孔，在沒有智能化激光三維加工技術(shù)時(shí)，這些異型孔的加工是非常困難的。”張文武進(jìn)一步說，耐高溫是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)加工技術(shù)不僅耗時(shí)多、精度低，同時(shí)還會(huì)在加工時(shí)形成細(xì)微的裂紋，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定工作埋下安全隱患。

利用智能化激光三維加工技術(shù)，張文武團(tuán)隊(duì)已經(jīng)打通了復(fù)雜異型孔加工的技術(shù)鏈條，正在把該技術(shù)應(yīng)用于國產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件的孔加工，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化。

組建智能能量場團(tuán)隊(duì)

特種加工在前沿科技領(lǐng)域的應(yīng)用很廣，被譽(yù)為一個(gè)國家先進(jìn)制造技術(shù)競爭的前沿領(lǐng)域。回國前，張文武在國外從事特種加工技術(shù)研究，并活躍在國際學(xué)術(shù)界，但他心中一直掛念著國內(nèi)的發(fā)展。

談及為什么組建激光與智能能量場制造工程團(tuán)隊(duì)，張文武表示，廣義能量是任何可以改變系統(tǒng)狀態(tài)的能力。曾有同行專家評論，張文武已經(jīng)把對制造工藝的研究上升到方法論和哲學(xué)層面。那么，智能是能量嗎？智能與世界的交互作用怎么來量化測量？

2010年，張文武在國外出版了智能能量場制造領(lǐng)域的第一本學(xué)術(shù)專著，對上述問題作了相關(guān)回答：“將智能用于集成、優(yōu)化、控制能量場，實(shí)現(xiàn)各種能量和物質(zhì)場從一種狀態(tài)向更高價(jià)值狀態(tài)的改變，比如，智能手機(jī)就是將信息能量集成為物質(zhì)流、能量流、信息流，來實(shí)現(xiàn)其價(jià)值。”

張文武喜歡寫日記，工作中稍有思想火花，他都會(huì)記錄在日記本里，如今日記本里的有些“思想火花”已經(jīng)結(jié)出果實(shí)，比如他設(shè)計(jì)的水助激光加工技術(shù)，突破了透鏡將激光聚焦讓物體熔化濺射的傳統(tǒng)方法，縮小了加工過程對物體產(chǎn)生的熱影響區(qū)，為熱敏感材料接近零熱影響的孔加工探索出國際領(lǐng)先的中國工藝路線。

“中外發(fā)動(dòng)機(jī)大修周期相差3倍以上的一大原因是，國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片采用激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)尚未成熟。”張文武發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)現(xiàn)有的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)存在能量利用率低、約束層穩(wěn)定性差、需要繁瑣的前后處理等問題。

針對這些弊端，團(tuán)隊(duì)發(fā)明了同軸送水加移動(dòng)吸收層的工藝，不僅提高了能量利用率，還同時(shí)解決了現(xiàn)有技術(shù)約束層適應(yīng)性差、加工效率低下等問題。“該工藝可以像激光焊接一樣隨動(dòng)屬件，不需要預(yù)先貼膜，處理速度提高至少十倍。”張文武說，“這個(gè)工藝擁有龐大的激光表面處理市場，該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化將把中國的激光沖擊強(qiáng)化技術(shù)帶進(jìn)國際引領(lǐng)階段。”

大膽幻想帶來的是更多原創(chuàng)性的發(fā)明。張文武團(tuán)隊(duì)發(fā)明了特種冷卻減阻技術(shù)，為高速載人飛行掃清了一大技術(shù)障礙；發(fā)明了近光速粒子太空推進(jìn)技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)星際探索提供了新思路。

“成果不服務(wù)社會(huì)就是浪費(fèi)”

“科研成果不產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用就不是完整的創(chuàng)新，不服務(wù)社會(huì)就是浪費(fèi)。”近年來，張文武團(tuán)隊(duì)一直在推動(dòng)技術(shù)成果的產(chǎn)業(yè)化工作。2013年，張文武與兩位朋友共同創(chuàng)辦了寧波晶鉆工業(yè)科技有限公司，以生產(chǎn)金剛石及相應(yīng)制品為主攻方向。2015年，張文武依托團(tuán)隊(duì)技術(shù)創(chuàng)辦了寧波大艾激光科技有限公司（以下簡稱大艾激光）。

張文武團(tuán)隊(duì)也得到中科院2018年度STS雙創(chuàng)引導(dǎo)項(xiàng)目的支持。在各方支持下，團(tuán)隊(duì)先后研制出多款可廣泛應(yīng)用的高端激光加工產(chǎn)品，包括五軸聯(lián)動(dòng)激光精密加工系統(tǒng)CNC、五軸聯(lián)動(dòng)激光刃磨機(jī)、大尺度超高速激光表面清洗系統(tǒng)、單軸（雙軸）便攜式激光清洗機(jī)。

長期以來，高端激光精密加工產(chǎn)品都由國外技術(shù)主宰，國內(nèi)市場長期依賴進(jìn)口。高端激光精密加工到底有何用途？張文武介紹，除了航空航天等高精尖領(lǐng)域需要大量使用激光精密加工，民生領(lǐng)域的復(fù)雜刀具加工是高端激光精密加工應(yīng)用的主要場景之一。

比如，在3C數(shù)碼、大型電子器件等產(chǎn)品的生產(chǎn)制造領(lǐng)域，需要用到大量精密刀具對外殼、屏幕等材料進(jìn)行切割。傳統(tǒng)的普通刀具難以做到有效切割，只有精密的具備五軸甚至六軸功能的激光加工才可以勝任。

“如何創(chuàng)造出我們自己的五軸聯(lián)動(dòng)激光精密加工系統(tǒng)是亟須解決的‘卡脖子’問題。”張文武團(tuán)隊(duì)在2017年研制出五軸聯(lián)動(dòng)激光精密加工系統(tǒng)，通過近兩年的調(diào)試和驗(yàn)證，其穩(wěn)定性及工藝均達(dá)到實(shí)戰(zhàn)水平，能滿足我國航空航天以及熱控、模具、刀具等國家重大民生領(lǐng)域的高端裝備需求。