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他师从王华明院士,为提高国家机械制造和装备水平做出了贡献

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2016-12-15 09:20

    他师从我们著名金属材料增材制造专家王华明院士,从事激光多层熔覆研究工作近20年;他拥有5项国家发明专利,将原来只能在航空航天等高技术领域应用的高性能表面涂层技术,低成本地应用到普通机械制造行业,为提高国家的机械制造和装备水平做出贡献;他曾作为负责人主持过国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金、国家重点实验室开放基金和企业委托等项目,作为主要成员参加国家重点研究计划和国际合作重点项目等。目前,他的部分研究成果已经在企业得到推广应用……

    他是苏州大学机电工程学院教授刘秀波博士。

    刘秀波教授自1997年进入北京航空航天大学师从王华明院士攻读博士学位以来,一直从事激光材料加工、制造工艺力学等领域的理论和实践工作。多年来,他的研究工作源于金属材料激光表面改性,即激光熔覆和表面合金化。博士后期间也从事了一些有关异种材料激光焊接方面的研究,并在此基础上逐步将研究拓展到激光多层熔覆即增材制造方面。

    本期,我们《3D打印商情》围绕刘秀波教授的研究工作进行了采访,以下为采访实录。

    《3D打印商情》:据了解,刘教授正参与一个国家自然科学基金的项目《涡轮叶片的光内送粉变光斑高效增材制造方法及机理研究》,可否介绍一下这个项目以及分享一下这项研究的进展情况?

     刘秀波:该项目针对现有激光增材制造技术面临的成形效率及成形质量低等问 题,针对涡轮叶片不等宽的结构特征,提出基于光内送粉方式采用变化激光光斑一次扫描而非多道搭接直接成形出不等宽熔覆层的方法,逐层堆积直接制造薄壁叶片的新方法。目前该项目已开发出相应的变斑激光增材制造系统平台,并已获得了熔覆层宽度从1mm到3mm连续变化的薄壁叶片,为光内送粉激光直接成形薄壁变壁厚类零件提供理论及技术支撑。

    《3D打印商情》:请结合您的研究工作介绍一下激光熔覆技术在3D打印中的应用?激光熔覆技术优势是什么?

    刘秀波:激光熔覆技术是3D打印的前提和基础,只有在成熟的激光熔覆技术基础上才能发展3D打印技术

激光熔覆技术的优势很多,例如:

    1.熔化、凝固速度快(106℃/s),组织具有快速凝固的典型特征。

    2.热影响区和畸变较小,涂层稀释率低。

    3.粉末选择几乎没有任何限制,特别是可在低熔点金属表面熔覆高熔点合金。

    4.能进行选区熔覆,材料消耗少,具有良好的性价比。

    5.工艺过程易于实现自动化、可实现远程控制。

    6. 环保,无三废排放。

    正是由于激光熔覆技术具有上述诸多突出优点,最近几十年在科学研究和工业应用领域都得到了快速发展,且潜力巨大。

    《3D打印商情》:据了解,您在增材制造材料上也进行了颇多研究,比如钛合金、陶瓷等等,请介绍一下这些材料性能以及优缺点?它们将被主要应用于什么领域?

    刘秀波:钛合金的优点主要是1.比强度高;2. 热强度高;3.抗蚀性好;4.低温性能好;主要缺点是:1.化学活性大;2.导热性差;3.弹性模量小。主要应用在航空、航天、核能、船舶、化工、冶金和医疗器械等工业中。

    陶瓷材料的主要优点是高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀、隔热以及低密度和膨胀系数等,缺点主要是脆性大。主要应用在航空航天、化工、光学、计算机、冶金、机械、能源和军事等领域。

    目前我国在钛合金3D打印技术领域处于国际领先水平。例如美国3D钛合金打印技术的若干样品,都是尺寸有限的小零件。然而,因为在制造过程中钛合金变形、断裂的技术难题无法解决,美国始终无法生产高强度、大尺寸的激光成形钛合金构件。2005年,美国从事钛合金激光成型制造业务的商业公司Aeromet由于始终无法生产出性能满足主承力要求的大尺寸复杂钛合金构件,没有实现有价值的市场应用而倒闭。美国的其他国家实验室也无法攻克这一难题,目前只能进行小尺寸钛合金部件的打印和钛合金零件表面修复。中国钛合金3D打印后来居上,如北京航空航天大学王华明院士主持的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”项目获得国家技术发明一等奖,使中国成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家;西北工业大学制造的钛合金承力梁,长度达到5米等。

    《3D打印商情》:为提高传统低成本材料产品的服役寿命和性价比,您做了哪些研究工作?

    刘秀波:在量大面广的普通机械制造领域,通过多功能耐磨、减摩、耐冲击、耐腐蚀复合材料涂层及其制备工艺的研制,开发出等离子熔覆材料体系及工艺装备,使传统低成本产品(主要是运动副零部件)的服役寿命和性价比大幅提高,将原来只能在航空航天等高技术领域应用的高性能表面涂层技术,低成本地应用到普通机械制造行业,为提高国家的机械制造和装备水平做出贡献。具体应用实例有采煤机截齿、锥形破碎机内衬板、混凝土输送管内壁等。

    《3D打印商情》:结合您的研究,您认为目前金属3D打印技术需要突破的难点或者困境是什么?

    刘秀波:金属材料3D打印技术是3D打印体系中最为前沿和最有潜力的技术,是先进制造技术的重要发展方向。金属材料3D打印技术难点主要是金属的熔点相对较高,在成形过程中发生固液态的转变,而且热传导、热膨胀的复杂性,使粉末熔化区、凝固过渡区和热影响区产生极不均匀的温度场,从而导致热应力的产生,使熔池中的固液分离加速,易形成凝固裂纹。同时,对于金属而言在冷却过程中还会发生固液相变,产生组织应力。由于目前还未见到比较合理的金属材料激光快速成型过程中的本构模型,因此,影响了激光成型过程中的流动、变形与应力计算的准确性,不能合理地阐明熔覆层裂纹产生和开裂机理。

    《3D打印商情》:您对我国发展3D打印技术可有什么建议?

    刘秀波:3D打印技术现在发展势头很好,潜力巨大,但也要正确、理性地看待这项技术。从事前沿的科学研究,可以进行大量创新和探索,瞄准建立新的理论和模型等;具体到产品的开发,除了满足功能需求,还必须考虑性能价格比。我个人认为,目前3D打印技术还是要大力发展金属材料3D打印,特别是在一些传统方法难以加工的材料和结构方面要有所作为,3D打印技术应该与传统制造方法取长补短、相得益彰。

    最后应该指出,3D打印技术涉及到机械、材料、控制、光学、力学、化学等多门学科,相关交叉学科的前沿理论发展和高素质人才培养迫在眉睫。比如我最近参加了一个全国流变学会议,其中就有学者提到金属材料3D打印过程中的流变行为,认为流变学理论可以将整个激光成形过程视为一个整体,从而建立一个统一的本构模型,即:该本构模型可以客观地阐明液相区的金属流动、两相区的凝固和固相区的变形与应力行为,并能够兼顾考虑凝固(液态相变)和组织演变(固态相变)引起的能量传输现象;再将粉末熔化区的液相、两相凝固区、固相热影响区视为一体,建立整体区域的数学模型,从而揭示残余应力的变化形式和演化规律、裂纹萌生与开裂机理。因此,流变学理论必将推进金属材料在3D打印领域的应用与推广。

刘秀波教授简介

    2001年3月毕业于北京航空航天大学材料加工工程专业, 获工学博士学位; 2008年6月于中国科学院力学研究所博士后流动站出站,2011年6月起任苏州大学机电工程学院教授。近20年一直从事激光材料加工、表面工程与摩擦学等领域的科研工作,主持并完成国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中国博士后科学基金、国家重点实验室开放基金等省部级以上项目10余项,已在国内外本领域重要核心期刊(如Appl Surf Sci、Surf Coat Technol、Mater Des、Wear、Tribo Int、Surf Eng、J Alloys Compd、J Mater Process Technol、Mater Chem Phys、Mater Lett、Opt Laser Eng、Opt Laser Technol、Compos Part B、RSC Adv、Mater Sci Technol、J Mater Eng Perform、Nucl Eng Des、中国激光、摩擦学学报、中国有色金属学报、稀有金属材料与工程、材料热处理学报、焊接学报、材料工程、材料导报等) 发表了约110篇学术论文,其中被SCI检索40篇(第一或通讯作者SCI检索33篇),超过60%发表在JCR二区期刊,Web of Science 检索他引550余次, 被EI检索65篇,研究成果引起国内外同行的关注;获第四届中国科协期刊优秀学术论文奖(排名1)、航空工业总公司科技进步1等奖(排名3)、2012-2015年国际应用表面科学领域主流期刊Applied Surface Science ‘Outstanding Reviewer’;第一发明人申请国家发明专利6件,已授权5件;国内外学术会议分组邀请报告和大学讲座30余次。长期担任20余家国际SCI期刊Surf Coat Tech, Appl Surf Sci, J Alloy Compd, Wear, Tribo Int,J Mater Res,J Mater Process Technol,J Bionic Eng, Mater Des, Mater Chem Phys, Opt Laser Technol, Opt Laser Eng, Appl Phys A-Mater, Compos Part B, Surf Interface Anal, RSC Adv, Mater Sci Technol, Acta Metall Sin (English Letters),Pimech Eng B-J Eng, Int J Min Metall Mater, J Rare Earth, Int J Adv Manuf Tech, Tribo Indus, Laser Eng, J Mater Sci Technol通讯审稿人;国内机械/材料/应用物理等领域知名期刊《Chinese Optics Letters》、《中国科学》、《中国激光》、《稀有金属材料与工程》、《材料热处理学报》、《激光与光电子学进展》、《激光与红外》专栏特邀审稿人;《机械工程与技术》期刊编委;国家自然科学基金同行评议专家、教育部科技奖励评审专家、中国博士后科学基金评审专家,国家、江苏省、广东省、苏州市和无锡市科技专家数据库入库专家。