早在1791年，英國化學家格雷戈爾就發(fā)現(xiàn)了鈦，然而提取單質(zhì)的鈦卻屢遭失敗。因為鈦在高溫下會變得十分活潑，在提煉的過程中會和空氣中的氧、氮、碳等元素發(fā)生反應，直到1910年美國化學家亨特才第一次提煉出純度達99.9%的金屬鈦。而鈦金屬易于與其他元素結(jié)合并“緊緊抱住”的特性，也使鈦合金具有了異常穩(wěn)定的特質(zhì)。待到第二次世界大戰(zhàn)之后，鈦即以優(yōu)質(zhì)輕型耐腐蝕結(jié)構材料、新型功能材料和重要的生物工程材料的身份“橫空出世”。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，相關合金材料已達數(shù)百類，其因密度小、比強度高、耐腐蝕性好、高溫和低溫力學性能優(yōu)良、生物相容性好等特點，以及儲氫、形狀記憶、高阻尼性能等特殊功能被廣泛應用于各個領域。目前，鈦工業(yè)的年均增長率約為8%，產(chǎn)生了巨大的社會及經(jīng)濟效益，對國防、國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展都具有極為重要的戰(zhàn)略意義。對鈦元素及其合金材料的探索和研究，也已成為世界各國大力布局的重要領域。

(資料圖)

▲王皞

與漫威電影中，鋼鐵俠將盔甲材質(zhì)從最初的鋼鐵換作鈦合金的情景類似，鈦及其合金材料似乎代表著金屬材料演進及應用的一個新方向。拋開故事的傳奇光環(huán)，在實際的生產(chǎn)生活中，這種“未來金屬”究竟蘊含了怎樣的秘密？怎樣進一步地了解它？如何讓其在實際應用中發(fā)揮最大價值？這些都是上海理工大學增材制造研究院院長王皞在不斷思索的問題。

以算法觸達鈦的脈絡

1999年，作別故鄉(xiāng)沈陽，王皞來到了南京大學攻讀本科。彼時所學的凝聚態(tài)物理學對于材料學的天然“親近”，以及南京大學豐富的專家講座活動，讓年輕的王皞接觸到了航空航天新型材料這一領域并萌生了極大興趣。了解越深，愛之愈切。王皞決心在這個領域扎下根來，而中國科學院金屬研究所碩博連讀的經(jīng)歷，成為他探索這個全新世界的第一段旅程。

當時恰逢“神舟五號”載人飛船順利升空，以此為標志，我國航空航天事業(yè)進入了大力發(fā)展的“上升期”，對飛行器及發(fā)動機相關組件的要求也隨之提升，行業(yè)發(fā)展亟需材質(zhì)輕、強度高、剛度好、耐腐蝕的新型材料為之“保駕護航”，而滿足上述苛刻條件的鈦基合金也就此“脫穎而出”，成為中國科學院金屬研究所重點攻關的關鍵核心領域。

提升使用性能、降低生產(chǎn)成本、縮減研發(fā)時間，是擺在中國科學院金屬研究所鈦基合金攻關團隊面前的3個挑戰(zhàn)。知其然，知其所以然，針對這些挑戰(zhàn)，攻關團隊迅速形成“理論計算+實驗表征+生產(chǎn)應用”的全鏈條工作模式，從鈦基合金最基本的原子成分入手，逐層開展微觀缺陷行為—微觀組織演化—加工使役性能關系研究，以服務于鈦基合金優(yōu)化設計。作為理論計算團隊的一員，王皞也在這一過程中迅速成長，交出了極為亮眼的成績單。

據(jù)王皞介紹，鈦基合金的優(yōu)異性能主要源于其多層次的組織，但由于成型工藝路線長，其組織的控制頗具挑戰(zhàn)性，常常造成發(fā)動機部件壽命大幅波動、起落架等承力部件的強韌性不足，影響鈦合金的高效應用。就此，對它的組織和缺陷進行相關力學模擬，以理解其成型和使役過程中的失效機制就顯得十分必要。以鈦鋁有序合金為例，在眾多的鈦基合金中，鈦鋁有序合金具有更低的密度，但其工作溫度更高，自身的室溫脆性和較差的工藝性能嚴重地制約了其廣泛應用。隨著計算能力的提高，新材料的研發(fā)初始階段越來越多地采用高通量計算進行普查，且計算中逐步考慮材料性能相關的共性因素，如界面和缺陷的行為，將人工智能引入新材料的篩選有效提升了篩查水平。且由于結(jié)構材料的力學性質(zhì)依賴于不同尺度的組織，需要集成多尺度模擬，其中不同尺度間的信息傳遞尤為重要，如借助電子結(jié)構計算結(jié)果構建原子尺度模擬所需的原子間勢，而第一原理及原子模擬為微觀組織模擬提供界面能等信息，更直接的層次間耦合仍須在模型和算法上進行探索。再加上對于材料的蠕變、疲勞等使役性能相關的研究，需要跨越不同的空間和時間尺度，特別是這些過程中的缺陷演化等問題，使原子尺度的長時間模擬方法逐漸得到發(fā)展，但仍需更高效的模型和算法以處理更復雜的體系。

為此，在國家重點研發(fā)項目“航空用先進鈦基合金集成計算設計與制備”中，王皞所在的理論計算團隊勠力同心，通過發(fā)展新型原子間勢、長時間原子模擬、組織模擬等多尺度方法，構建鈦合金高通量多尺度計算設計平臺，以揭示缺陷的形成、積累及裂紋萌生的規(guī)律，甄別不利因素，為探尋材料性能優(yōu)化途徑提供重要依據(jù)和數(shù)據(jù)保障。

以此為開端，針對國內(nèi)在先進鈦基合金的計算設計方面存在的差距，王皞不斷鉆研，力求彌合這一嚴重影響我國合金研發(fā)的缺陷。王皞針對微觀變形機理，考察了金屬及合金塑性變形中多種原子過程，系統(tǒng)展示了位錯通過偶極型反應導致強化及點缺陷過程，揭示了塑性變形下局部晶體取向轉(zhuǎn)變等新型相變和孿晶機制，在原子尺度模擬軟件開發(fā)、缺陷長時間演化行為、鈦鋁合金微觀變形機制和加工使役性能優(yōu)化、高溫鈦合金微觀變形機制和顯微組織優(yōu)化設計及亞穩(wěn)鈦合金微觀變形機理和優(yōu)化設計等方向展開研究，就點缺陷長時間演化、非絕熱位錯湮滅行為、鈦鋁合金新型孿晶機制、金屬鈦晶界變形新過程等難點問題提出“新解法”，為航空用高溫鈦合金及鈦鋁合金、海洋和醫(yī)用鈦合金等新材料的成分設計、組織控制和工藝優(yōu)化奠定了理論基礎。

與此同時，王皞也在超級計算機領域持續(xù)發(fā)力，著力對微觀尺度的幾類主要算法進行自主化開發(fā)。青出于藍而勝于藍，在借鑒和引進國外已有算法的基礎上，王皞及其團隊的自主化研究衍生出很多新的算法，經(jīng)過中國科學院超算平臺的驗證，這些算法“效果也很好”。相關成果也為王皞贏得了2014年度中國科學院沈陽分院優(yōu)秀青年科技人才獎、2015年中國科學院青年創(chuàng)新促進會會員、2017年遼寧省百千萬人才工程等重要榮譽，王皞還以第二完成人的身份獲得第二屆中國科學院超級計算應用獎和中國科學院超級計算優(yōu)秀團隊獎。

“焚膏油以繼晷，恒兀兀以窮年?！被仡櫼宦纷邅淼难芯繗v程，王皞沉吟片刻，感慨地說：“科學研究，可能大部分時間是在挫折和迷茫中度過的，成功的時候其實很少。這就像運動員，一年有360多天都在訓練，最后一兩天去比賽，足夠努力、足夠幸運才可能獲得一塊獎牌。我做的計算設計工作，也是每天寫代碼、找漏洞，摸索和思考是常態(tài)。人類文明走到21世紀，已經(jīng)不再會有很簡單的問題留給我們了。想要解決問題，就要有直面挫折的堅定的心。也許重復一萬次都是失敗，但是堅持下去，或許在第一萬零一次就突然有了突破。即使沒有突破，也到達了別人未曾到達的地方。在這個過程中，從基礎研究的角度不斷深入，得以接觸‘鈦’這種金屬的更多秘密，這或許才是我和我的團隊醉心科研的根本原因?！?/p>

突破瓶頸推動產(chǎn)學研創(chuàng)新

在鈦基合金計算設計領域深耕日久，王皞在日復一日的工作中產(chǎn)生了新的思考：一方面，他感覺到了“貧乏”，走過長長的基礎研究之路，新思路新靈感“到訪”次數(shù)越來越少；另一方面，他也期待“落地”，在他看來，鈦基合金乃至各類新型材料尚有許多可能，不該囿于技術和成本的限制，僅在航空航天等高端領域發(fā)揮作用。

很快，王皞就遇到了“知音”。2018年，上海理工大學增材制造研究院成立，秉承立足國內(nèi)、海納百川的辦學思想，增材制造研究院聚焦增材制造在航空航天、新能源、醫(yī)療領域應用的基礎科學問題和關鍵技術，從專用材料、工藝、后處理與功能化以及質(zhì)量保障的一體化增材制造創(chuàng)新鏈研究出發(fā)，開展增材制造技術相關的基礎研究、應用研究和工藝技術開發(fā)等工作。這種又稱為“3D打印”的新型技術，融合了計算機的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術、機電技術和材料技術等多項高技術的優(yōu)勢，以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料及醫(yī)用生物材料，按照擠壓、燒結(jié)、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，制造出實體物品。與傳統(tǒng)的、對原材料進行去除和切削、組裝的加工模式不同，增材制造是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，從而使過去受到傳統(tǒng)制造方式的約束而無法實現(xiàn)的復雜結(jié)構件制造變?yōu)榭赡?。這也促使此項技術迅速成為我國“十四五”規(guī)劃、《中國制造2025》等國家戰(zhàn)略中大力發(fā)展的重點方向。智能材料制造領域的發(fā)展?jié)摿?，讓“學材料出身”的王皞感到了久違的興奮。以服務國家重大需求、突破自身研究瓶頸為出發(fā)點，王皞接住了上海理工大學遞出的橄欖枝，于2020年正式前往這所大學，就此展開一段全新的科研歷程。

▲上海理工大學增材制造研究院揭牌儀式

來到上海，還沒來得及收拾行裝，王皞便迅速投入到自我調(diào)整的過程中。對于增材制造，王皞的理解是：“增材制造只是一個成型方法，除了追求更高的性能和更低的成本外，更重要的是要實現(xiàn)傳統(tǒng)制造不容易或者根本就無法生產(chǎn)的產(chǎn)品?！惫蚀?，他站在原有基礎研究造就的堅實地基上，著重開展增材制造技術的應用和相關產(chǎn)品的制造工作。在了解材料屬性的基礎上，如何用好這種材料？如何調(diào)控材料固有的缺陷？怎么去除這些缺陷？怎么評價這些缺陷？如何實現(xiàn)新的結(jié)構與功能？這些問題都成了王皞不斷詢問、不斷探索的新方向。

經(jīng)過初期建設，目前增材制造研究院已具備增材制造全流程制造、后處理和分析檢測設備，是國內(nèi)設備種類最齊全、最先進、流程最完整的增材制造研究機構之一。站在這樣的平臺上，王皞帶領團隊奮勇向前，收獲累累碩果。以由中廣核工程公司牽頭、上海理工大學作為主要參研單位的核電設備關鍵組件項目為例，相關成果于2019年12月在河北順利通過由中國核能行業(yè)協(xié)會組織召開、中國工程院葉奇蓁院士擔任評審組主任的項目鑒定會。這項成果為中國核電行業(yè)首個通過產(chǎn)品鑒定、具備裝機應用條件的增材制造金屬核電部件，對于推廣3D技術在核能行業(yè)的應用具有重要意義。增材制造研究院團隊在產(chǎn)品設計優(yōu)化、生產(chǎn)過程優(yōu)化、處理工藝開發(fā)、微觀結(jié)構與性能改善機理研究方面開展了系統(tǒng)深入的研究工作，實現(xiàn)了材料整體性能的提升。同時，團隊高度參與了過程控制文件的制定，確保綜合性能優(yōu)于傳統(tǒng)制造的3D打印核電部件產(chǎn)品的穩(wěn)定制造。

鑒定會現(xiàn)場，經(jīng)評審專家現(xiàn)場見證應用性能測試與評價，項目成果——3D打印組件產(chǎn)品性能全面優(yōu)于傳統(tǒng)設計組件，被認為具有良好的推廣價值。評審專家委員會通過現(xiàn)場產(chǎn)品性能測試、實物整體質(zhì)量查勘，以及現(xiàn)場答辯討論后，給予項目及其成果高度認可。項目研制成果屬國內(nèi)首創(chuàng)，填補了我國核電領域應用的空白，總體技術達到國際領先水平，具有良好的經(jīng)濟效益、社會效益和推廣應用前景。

此外，依托上海本地在航空航天、醫(yī)療健康、船舶制造、醫(yī)療服務等領域的優(yōu)勢，王皞及其團隊進一步拓展以鈦基合金為主的多層面應用合作。目前，研究院已與中國商用飛機有限責任公司、中國航空發(fā)動機集團有限公司、中國航空工業(yè)集團有限公司、上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團）有限公司等知名企業(yè)建立深入合作關系，為國產(chǎn)大飛機、航空發(fā)動機、核電、醫(yī)療等行業(yè)發(fā)展提供強大助力。

提及研究現(xiàn)狀，王皞坦言，科研之路就像一條蜿蜒而上的河流，時有奔涌的喜悅，亦有艱難的淺灘——“我們現(xiàn)在遇到最有挑戰(zhàn)性的問題就是，在增材制造過程中，如何評估缺陷對產(chǎn)品使用性能造成的影響。由于增材制造的成型方式與傳統(tǒng)成型方式完全不同，所以產(chǎn)品成型之后，材料的內(nèi)部狀態(tài)也是不一樣的。這樣帶來的直接結(jié)果就是，在傳統(tǒng)制造過程中，比較成熟的、對于缺陷造成影響的評估標準不能夠‘照搬’到增材制造中來。一個產(chǎn)品做出來，能不能用、敢不敢用，我們沒有評估的標準，目前只能用實驗法。就是從做出來的部件中拿出一個或幾個去做實驗，實驗結(jié)果做出來，才知道這個產(chǎn)品是否可用，這對于推動增材行業(yè)發(fā)展進程無疑是一個巨大的不利因素。無論是從提升產(chǎn)品質(zhì)量，或是提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率的角度出發(fā)，這都是要集中力量解決的首要問題。而我和團隊要做的，就是努力建立增材制造缺陷的‘評價標準’，讓增材制造產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的明天盡快到來?！?/p>

吾輩自有后來人

從中國科學院金屬研究所的骨干成員，到上海理工大學增材制造研究院院長，王皞自認最大的變化是更多地和學生特別是本科生有了“交集”。在授課的過程中，王皞也敏銳地發(fā)現(xiàn)了學生之間的“斷層”所在——“本科生和研究生之間，最大的不同可能存在于學習方式和工作方式上?！蓖醢偨忉尩溃氨究齐A段，大多數(shù)學生都處于基礎學習的階段，對‘學以致用’尚無太多理解，他們習慣了理論學習+標準化評價的模式，是被老師引導、推動著向前走的，自驅(qū)力往往不足。而4年之后，當他們就讀研究生，需要自己去找問題、解決問題的時候，就會變得很迷茫。不少學生的‘迷茫期’甚至要持續(xù)3個月之久，完全不知道自己要做什么。這都是因為學習方式和工作方式變了，相應的評價體系也變了。”

▲王皞（左三）團隊合照

從自身的經(jīng)歷出發(fā)，王皞深知，學習不能只停留在書本上。這不僅會養(yǎng)成學生的思維惰性，更會加劇其與實際產(chǎn)品、實際應用的割裂。為了扭轉(zhuǎn)這一情況，王皞在本科教學過程中，著重增加“實際”在授課內(nèi)容中的比重，如以已經(jīng)落地的應用案例為切入點，讓學生了解相關技術可以產(chǎn)出怎樣的產(chǎn)品、相關產(chǎn)品在使用過程中會呈現(xiàn)怎樣的狀態(tài)、制造或使用這類產(chǎn)品需要具備怎樣的條件、從業(yè)者將如何調(diào)控產(chǎn)品的主要性能……讓學生“眼見為實”，逐步萌發(fā)關于專業(yè)、相關行業(yè)乃至整個產(chǎn)業(yè)的初步理解，進而尋求自己的興趣所在，推動學生以興趣為原點展開自主學習。而對于研究生，王皞更側(cè)重于傾聽和引導：“對于‘迷茫期’的學生，我不會強求他迅速進入積極狀態(tài)。而是在開導聊天的過程中，逐步傳授相關知識，幫學生克服畏難情緒。之后引導學生去看看行業(yè)目前的發(fā)展狀況，培養(yǎng)其解決問題的能力，才是我們教育的意義所在?！?/p>

“盡量少給標準答案，盡量多給一些開放性的內(nèi)容”，在王皞這兩個“盡量”的作用下，上海理工大學增材制造研究院目前有在讀研究生50余名，獲得2018年第五屆上海市大學生新材料創(chuàng)新創(chuàng)意大賽三等獎、2019年“華為杯”第十六屆中國研究生數(shù)學建模競賽三等獎、2020年第七屆上海市大學生新材料創(chuàng)新創(chuàng)意大賽二等獎和三等獎等重要獎項，上海理工大學增材制造研究院的學生正茁壯成長為新型材料及高端制造領域的有生力量。

王皞曾有為期1年赴法國學術訪問的經(jīng)歷。在此期間，他意識到，當時我國在相關領域與法國等歐美國家的差距，不僅存在于基礎研究和大規(guī)模生產(chǎn)層面，更體現(xiàn)在一些具體的研究思路和研究方法，以及據(jù)此形成的基礎研究端和實際應用端之間成熟的合作機制上。這給了王皞很大的啟發(fā)。赴任上海理工大學增材制造研究院院長以來，王皞也在積極布局連通不同板塊的協(xié)作體系。對內(nèi)，他積極建設教研團隊，目前已形成包含材料研究、工藝研發(fā)、生產(chǎn)流程等層面的7人團隊，其中1人獲青年東方學者，2人獲2019、2020年上海市揚帆計劃，2人獲2019、2020年上海理工大學“思學計劃”。對外，他積極運用區(qū)位優(yōu)勢，不斷探索新型材料在更多領域應用的可能性，目前增材制造院與周邊企業(yè)合作建立了上海高性能醫(yī)療器械材料工程技術研究中心生物醫(yī)用材料3D打印創(chuàng)新中心、上海理工大學—微創(chuàng)聯(lián)合實驗室等，團隊也積極參與了國家增材制造創(chuàng)新中心、大飛機增材制造協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟（理事單位）、民用飛機材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展聯(lián)盟、上海航空增材制造研究院、商飛創(chuàng)新谷等項目，團隊成員擔任中國材料學會計算材料學分會委員、上海市增材制造標準化技術委員會委員、中國材料與試驗團體標準委員會/民機材料領域委員會委員、中廣核核電安全監(jiān)控技術與裝備國家重點實驗室客座研究員等?！半S著科研和生產(chǎn)水平的逐漸提高，鈦基合金將會出現(xiàn)在更多突破傳統(tǒng)的場景中，仍有極大的應用潛力和增長潛力。而隨著冶煉工藝和加工技術的提高，特別是增材制造技術的成熟，其原料成本和加工成本都會逐步降低，鈦基合金在醫(yī)療器材、海洋開發(fā)、深海應用等層面的應用同樣潛力巨大。同時，與傳統(tǒng)鋼鐵和高溫合金相比，鈦基合金仍須在絕對強度和服役溫度等方向上做進一步的研究。從這個意義來說，我們的科研之路還很長，所幸我始終走在路上?！蓖醢倛远ǖ卣f。

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