他師從王華明院士，為提高國家機械製造和裝備水平做出了貢獻

他師從我們著名金屬材料增材製造專家王華明院士，從事激光多層熔覆研究工作近20年；他擁有5項國家發明專利，將原來只能在航空航天等高技術領域應用的高性能表面塗層技術，低成本地應用到普通機械製造行業，為提高國家的機械製造和裝備水平做出貢獻；他曾作為負責人主持過國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中國博士後科學基金、國家重點實驗室開放基金和企業委託等項目，作為主要成員參加國家重點研究計劃和國際合作重點項目等。目前，他的部分研究成果已經在企業得到推廣應用……

他是蘇州大學機電工程學院教授劉秀波博士。

劉秀波教授自1997年進入北京航空航天大學師從王華明院士攻讀博士學位以來，一直從事激光材料加工、製造工藝力學等領域的理論和實踐工作。多年來，他的研究工作源於金屬材料激光表面改性，即激光熔覆和表面合金化。博士後期間也從事了一些有關異種材料激光焊接方面的研究，並在此基礎上逐步將研究拓展到激光多層熔覆即增材製造方面。

本期，我們《3D列印商情》圍繞劉秀波教授的研究工作進行了採訪，以下為採訪實錄。

《3D列印商情》：據了解，劉教授正參與一個國家自然科學基金的項目《渦輪葉片的光內送粉變光斑高效增材製造方法及機理研究》，可否介紹一下這個項目以及分享一下這項研究的進展情況？

劉秀波：該項目針對現有激光增材製造技術面臨的成形效率及成形質量低等問 題，針對渦輪葉片不等寬的結構特徵，提出基於光內送粉方式採用變化激光光斑一次掃描而非多道搭接直接成形出不等寬熔覆層的方法，逐層堆積直接製造薄壁葉片的新方法。目前該項目已開發出相應的變斑激光增材製造系統平台，並已獲得了熔覆層寬度從1mm到3mm連續變化的薄壁葉片，為光內送粉激光直接成形薄壁變壁厚類零件提供理論及技術支撐。

《3D列印商情》：請結合您的研究工作介紹一下激光熔覆技術在3D列印中的應用？激光熔覆技術優勢是什麼？

劉秀波：激光熔覆技術是3D列印的前提和基礎，只有在成熟的激光熔覆技術基礎上才能發展3D列印技術。

激光熔覆技術的優勢很多，例如：

1．熔化、凝固速度快(106℃/s)，組織具有快速凝固的典型特徵。

2．熱影響區和畸變較小，塗層稀釋率低。

3．粉末選擇幾乎沒有任何限制，特別是可在低熔點金屬表面熔覆高熔點合金。

4．能進行選區熔覆，材料消耗少，具有良好的性價比。

5．工藝過程易於實現自動化、可實現遠程控制。

6. 環保，無三廢排放。

正是由於激光熔覆技術具有上述諸多突出優點，最近幾十年在科學研究和工業應用領域都得到了快速發展，且潛力巨大。

《3D列印商情》：據了解，您在增材製造材料上也進行了頗多研究，比如鈦合金、陶瓷等等，請介紹一下這些材料性能以及優缺點？它們將被主要應用於什麼領域？

劉秀波：鈦合金的優點主要是1.比強度高；2. 熱強度高；3.抗蝕性好；4.低溫性能好；主要缺點是：1.化學活性大；2.導熱性差；3.彈性模量小。主要應用在航空、航天、核能、船舶、化工、冶金和醫療器械等工業中。

陶瓷材料的主要優點是高強度、高硬度、耐磨、耐腐蝕、隔熱以及低密度和膨脹係數等，缺點主要是脆性大。主要應用在航空航天、化工、光學、計算機、冶金、機械、能源和軍事等領域。

目前我國在鈦合金3D列印技術領域處於國際領先水平。例如美國3D鈦合金列印技術的若干樣品，都是尺寸有限的小零件。然而，因為在製造過程中鈦合金變形、斷裂的技術難題無法解決，美國始終無法生產高強度、大尺寸的激光成形鈦合金構件。2005年，美國從事鈦合金激光成型製造業務的商業公司Aeromet由於始終無法生產出性能滿足主承力要求的大尺寸複雜鈦合金構件，沒有實現有價值的市場應用而倒閉。美國的其他國家實驗室也無法攻克這一難題，目前只能進行小尺寸鈦合金部件的列印和鈦合金零件表面修復。中國鈦合金3D列印後來居上，如北京航空航天大學王華明院士主持的「飛機鈦合金大型複雜整體構件激光成形技術」項目獲得國家技術發明一等獎，使中國成為目前世界上唯一掌握激光成形鈦合金大型主承力構件製造並且裝機工程應用的國家；西北工業大學製造的鈦合金承力梁，長度達到5米等。

《3D列印商情》：為提高傳統低成本材料產品的服役壽命和性價比，您做了哪些研究工作？

劉秀波：在量大面廣的普通機械製造領域，通過多功能耐磨、減摩、耐衝擊、耐腐蝕複合材料塗層及其製備工藝的研製，開發出等離子熔覆材料體系及工藝裝備，使傳統低成本產品（主要是運動副零部件）的服役壽命和性價比大幅提高，將原來只能在航空航天等高技術領域應用的高性能表面塗層技術，低成本地應用到普通機械製造行業，為提高國家的機械製造和裝備水平做出貢獻。具體應用實例有採煤機截齒、錐形破碎機內襯板、混凝土輸送管內壁等。

《3D列印商情》：結合您的研究，您認為目前金屬3D列印技術需要突破的難點或者困境是什麼？

劉秀波：金屬材料3D列印技術是3D列印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進位造技術的重要發展方向。金屬材料3D列印技術難點主要是金屬的熔點相對較高，在成形過程中發生固液態的轉變，而且熱傳導、熱膨脹的複雜性，使粉末熔化區、凝固過渡區和熱影響區產生極不均勻的溫度場，從而導致熱應力的產生，使熔池中的固液分離加速，易形成凝固裂紋。同時，對於金屬而言在冷卻過程中還會發生固液相變，產生組織應力。由於目前還未見到比較合理的金屬材料激光快速成型過程中的本構模型，因此，影響了激光成型過程中的流動、變形與應力計算的準確性，不能合理地闡明熔覆層裂紋產生和開裂機理。

《3D列印商情》：您對我國發展3D列印技術可有什麼建議？

劉秀波：3D列印技術現在發展勢頭很好，潛力巨大，但也要正確、理性地看待這項技術。從事前沿的科學研究，可以進行大量創新和探索，瞄準建立新的理論和模型等；具體到產品的開發，除了滿足功能需求，還必須考慮性能價格比。我個人認為，目前3D列印技術還是要大力發展金屬材料3D列印，特別是在一些傳統方法難以加工的材料和結構方面要有所作為，3D列印技術應該與傳統製造方法取長補短、相得益彰。

最後應該指出，3D列印技術涉及到機械、材料、控制、光學、力學、化學等多門學科，相關交叉學科的前沿理論發展和高素質人才培養迫在眉睫。比如我最近參加了一個全國流變學會議，其中就有學者提到金屬材料3D列印過程中的流變行為，認為流變學理論可以將整個激光成形過程視為一個整體，從而建立一個統一的本構模型，即：該本構模型可以客觀地闡明液相區的金屬流動、兩相區的凝固和固相區的變形與應力行為，並能夠兼顧考慮凝固（液態相變）和組織演變（固態相變）引起的能量傳輸現象；再將粉末熔化區的液相、兩相凝固區、固相熱影響區視為一體，建立整體區域的數學模型，從而揭示殘餘應力的變化形式和演化規律、裂紋萌生與開裂機理。因此，流變學理論必將推進金屬材料在3D列印領域的應用與推廣。

劉秀波教授簡介

2001年3月畢業於北京航空航天大學材料加工工程專業, 獲工學博士學位； 2008年6月於中國科學院力學研究所博士後流動站出站，2011年6月起任蘇州大學機電工程學院教授。近20年一直從事激光材料加工、表面工程與摩擦學等領域的科研工作，主持並完成國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金、中國博士後科學基金、國家重點實驗室開放基金等省部級以上項目10餘項，已在國內外本領域重要核心期刊(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、中國激光、摩擦學學報、中國有色金屬學報、稀有金屬材料與工程、材料熱處理學報、焊接學報、材料工程、材料導報等) 發表了約110篇學術論文，其中被SCI檢索40篇（第一或通訊作者SCI檢索33篇），超過60%發表在JCR二區期刊，Web of Science 檢索他引550餘次, 被EI檢索65篇，研究成果引起國內外同行的關注；獲第四屆中國科協期刊優秀學術論文獎(排名1)、航空工業總公司科技進步1等獎(排名3)、2012-2015年國際應用表面科學領域主流期刊Applied Surface Science 『Outstanding Reviewer』；第一發明人申請國家發明專利6件，已授權5件；國內外學術會議分組邀請報告和大學講座30餘次。長期擔任20餘家國際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通訊審稿人；國內機械/材料/應用物理等領域知名期刊《Chinese Optics Letters》、《中國科學》、《中國激光》、《稀有金屬材料與工程》、《材料熱處理學報》、《激光與光電子學進展》、《激光與紅外》專欄特邀審稿人；《機械工程與技術》期刊編委；國家自然科學基金同行評議專家、教育部科技獎勵評審專家、中國博士後科學基金評審專家，國家、江蘇省、廣東省、蘇州市和無錫市科技專家資料庫入庫專家。

（來源:3D列印商情）