山西省重点实验室巡礼：金属凝固控制与精确成形山西省重点实验室

创新引领筑牢高质量发展之基

编者按

 

科技决定山西未来发展，创新引领三晋转型升级。作为科技创新体系的重要组成部分，重点实验室已成为孕育重大原始创新、助力高质量发展的重要科技力量。近年来，按照省委省政府战略部署，山西围绕传统产业转型升级和战略性新兴产业集群发展，不断加大扶持力度和建设水平，涌现出一批引领前沿、学科交叉、综合集成、国内外有影响的重点实验室，为我省2030年基本实现转型、2035年基本实现现代化目标发挥了有力的支撑作用。

为深入实施科教兴省、人才强省、创新驱动发展战略，展现山西发展的新领域、新动能、新优势，本报与省科技厅联合推出“山西省重点实验室巡礼”系列报道。“山西省重点实验室巡礼”将视角对准全省百余家重点实验室，用生动的笔墨、精彩的镜头，多角度、近距离记录实验室建设发展成效，多形式、立体化讲述富有成效的创新案例和鲜为人知的创新故事，多渠道、宽领域展示我省重点实验室近年来取得的丰硕成果。系列报道将努力把对科技创新的礼赞，以有高度、有深度、有温度的方式呈现出来，为奋力推进中国式现代化山西实践作出新的更大贡献。

金属凝固控制与精确成形山西省重点实验室

为现代工业铸造钢筋铁骨 用技术催生发展新动能

上世纪七十年代，在兵马俑考古过程中发现很多秦国青铜三棱箭头。经过测量，考古学家惊讶地发现，这些箭头的三条棱边几乎等长，外型也与现代子弹十分接近，他们推测正因为秦国掌握了当时最先进的青铜冶炼工艺，从武器装备上对对手形成了碾压之势，才让秦始皇实现了统一六国的夙愿。不仅是秦朝，此后两千多年，无论是蒙古大军的铁器、工业革命的钢铁，还是现代工业的各色合金，金属加工技术每一次变革都会推动人类文明发展。当今，先进金属制造技术又成为支撑全球第四次工业革命的重要基石，世界各国围绕这一领域展开了激烈竞争，金属凝固控制与精确成形山西省重点实验室（以下简称“实验室”）就是其中一位重量级选手。自成立以来，实验室就瞄准材料加工工程学科发展前沿，面向山西省产业转型升级和国防科技工业的发展需求，向着行业技术顶峰不断发起冲击……

一丝不苟间 开启一场精度的试炼

“丝”是机械行业惯用的精密计量单位，1丝只有0.01毫米，大概是头发丝直径的宽度，这也是实验室研制的金属激光选区熔化3D打印设备所达到的加工精度。过去最常见的金属加工方式是冶炼铸造，诗仙李白笔下那“炉火照天地，红星乱紫烟”的诗句就是对金属加工业的最佳概述。随着时代的发展，现代工业对于金属加工精度要求越来越高，像航空航天、医疗等领域的一些关键零件精度已达到“丝”这一级别，受铸锭冶金和锻造成形原理性制约，传统金属加工精度此时已完全无法满足需求，如果这一技术难点不能攻破，将拖累这些产业的发展。可以说一丝距离看似很短，却像一道鸿沟，桎梏着我国工业向高端迈进的脚步。需求就是使命，难点就是课题。实验室成立后，就围绕高性能复杂金属构件开展了高强度科研攻关。考虑未来产业需求，实验室将研究重心放到激光增材制造（即“金属3D打印”）上。通过研究高精度金属激光选区熔化3D打印装备设计理论、激光金属相互作用凝固理论、专用粉末成分设计与制备，自主研制了高精度、高稳定性金属激光选区熔化（NUC-150、NUC-250）3D打印设备，用于不锈钢、钛合金、钴铬合金等复杂金属构件的快速制造和批量生产。其±0.1毫米的零件成形精度，更满足了精密金属器件“一丝不苟”的需求，为航空航天、兵器、医疗、模具等领域的高质量发展打下了坚实基础。

蓝天白云上 用科技构筑飞天梦想

对于那些翱翔于天际的航空航天器来说，飞行中会承受大量载荷，因此在保证精度之余，还必须保证其金属构件在材质、力学性能、铸造工艺等方面达到要求。为打造航空航天器所需的钢筋铁骨，实验室开展了镁合金、铝合金、钛合金、高强钢及其异种材料的单热源和多热源复合焊接方法、工艺、材料研究，开展揭示其铝—镁、铝—钛、高强钢接头及过渡界面的快速非平衡凝固机理等研究。针对航空航天的薄壁、复杂铝镁铸件的力学性能低、尺寸精度差及充型过程不平稳等问题，实验室开展了反重力电磁低压铸造、石膏型精密铸造和无模快速制型（芯）技术研究，大幅提高铸件质量。由实验室开发出多型号工业级选区激光烧结设备和精铸蜡粉等8种成型用粉末材料，设备最大成型尺寸800毫米×600毫米×600毫米，激光最大扫描速度4米/秒，显著降低新品研制周期与成本，相关成果也在航天航空等行业的40多个单位得到应用。实验室科研人员还配套研制开发了具有自主知识产权的铸造工艺商品化软件系统CASTSoft以及具有自主知识产权的国内第一台铝合金铸造用直流平面电磁泵，另一个维度提升了国内金属制造水平。相关研究成果在成都飞机制造公司、西安飞机制造公司等200多家企业推广使用后，取得了显著的社会和经济效益。

日常生活中 为金属开拓更多应用

实验室不止有飞天的成果，也有很多“接地气”的技术。在XXX型装甲车上，实验室使用水溶硼砂钢基体高温防氧化保护技术，解决了钢—铜双金属铸造界面活性剂保护和界面结合强度增强等技术问题，具备了生产具有复杂内腔铸件（如缸体、轴瓦）的能力，可以提高界面结合强度30%以上，产生了很好的效果。由实验室建立的典型零部件激光熔覆用材料体系，大幅度提升工件表面质量及使用寿命，相关研究成果也在晋西车轴等十余家企业得到了应用。日常所见的铝制易拉罐也有可能成为实验室技术成果的应用对象。我们都知道，铝制易拉罐可以被回收然后重新熔炼为金属铝，但受技术影响，过去国内回收的易拉罐几乎全部降级利用，造成了极大的资源浪费。为此实验室开展了再生铸造金属熔体杂质元素和非金属夹杂有益化技术研究，实现了再生铸造合金保级还原高值化利用。相关技术在肇庆市大正铝业有限公司投入运行后，极大地提升了金属利用率，产生了显著的经济、环保和社会效益。

时代大潮里 向行业技术巅峰冲刺

党的十八大以来，习近平总书记就推动制造业高质量发展作出了系列重要论述，明确提出“要牢牢抓住振兴制造业特别是先进制造业，不断地推进工业现代化。”金属加工作为现代制造的重要环节，它的创新和进步对于工业制造业的发展有着重要意义。因此实验室牢记嘱托，不断加快科研步伐。通过在激光增材制造材料及装备、高性能复杂构件精密铸造、金属基复合材料设计及激光制备、先进焊接方法与过程控制四个方向开展研究，积累了一批具有较大影响的科技成果。这期间，实验室承担了中央军委科技委基础加强计划重点基础研究项目、国家自然科学基金区域创新发展联合基金重点项目、国家重点研发计划课题、总装备部重点支撑项目、国防科工委军品配套项目、山西省科技重大专项项目等省部级以上课题50余项，获得山西省科技进步奖一等奖等省部级以上奖励10余项，发表高质量论文300余篇，申请/授权国家发明专利100余项。相关成果对于着力提升基础创新能力，建设国内具有重要影响的金属凝固控制与精确成形技术创新平台和人才培养基地，服务于行业技术升级等方面发挥了重大作用。实验室负责人白培康表示：“实验室将继续立足国家及山西省产业科技重大需求，着力提升基础创新能力，勇于创新，攻坚克难，为实施科教兴国战略及我省全方位推动高质量发展贡献力量

责     编 ▍张嘉颜

编     辑 ▍李志刚  

内容来源▍山西科技报

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