早在1791年，英國化學(xué)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(yīng)，直到1910年美國化學(xué)家亨特才第一次提煉出純度達(dá)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(gòu)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(guān)合金材料已達(dá)數(shù)百類，其因密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、高溫和低溫力學(xué)性能優(yōu)良、生物相容性好等特點(diǎn)，以及儲氫、形狀記憶、高阻尼性能等特殊功能被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)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(jì)效益，對國防、國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)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(lǐng)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(jìn)及應(yīng)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(yùn)含了怎樣的秘密？怎樣進(jìn)一步地了解它？如何讓其在實際應(yīng)用中發(fā)揮最大價值？這些都是上海理工大學(xué)增材制造研究院院長王皞在不斷思索的問題。

以算法觸達(dá)鈦的脈絡(luò)

1999年，作別故鄉(xiāng)沈陽，王皞來到了南京大學(xué)攻讀本科。彼時所學(xué)的凝聚態(tài)物理學(xué)對于材料學(xué)的天然“親近”，以及南京大學(xué)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(lǐng)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(lǐng)域扎下根來，而中國科學(xué)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(dāng)時恰逢“神舟五號”載人飛船順利升空，以此為標(biāo)志，我國航空航天事業(yè)進(jìn)入了大力發(fā)展的“上升期”，對飛行器及發(fā)動機(jī)相關(guān)組件的要求也隨之提升，行業(yè)發(fā)展亟需材質(zhì)輕、強(qiáng)度高、剛度好、耐腐蝕的新型材料為之“保駕護(hù)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(xué)院金屬研究所重點(diǎn)攻關(guān)的關(guān)鍵核心領(lǐng)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(xué)院金屬研究所鈦基合金攻關(guān)團(tuán)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(guān)團(tuán)隊迅速形成“理論計算+實驗表征+生產(chǎn)應(yīng)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(guān)系研究，以服務(wù)于鈦基合金優(yōu)化設(shè)計。作為理論計算團(tuán)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(jī)部件壽命大幅波動、起落架等承力部件的強(qiáng)韌性不足，影響鈦合金的高效應(yīng)用。就此，對它的組織和缺陷進(jìn)行相關(guān)力學(xué)模擬，以理解其成型和使役過程中的失效機(jī)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(yán)重地制約了其廣泛應(yīng)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(jìn)行普查，且計算中逐步考慮材料性能相關(guān)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(gòu)材料的力學(xué)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(gòu)計算結(jié)果構(gòu)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(jìn)行探索。再加上對于材料的蠕變、疲勞等使役性能相關(guān)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(fù)雜的體系。

為此，在國家重點(diǎn)研發(fā)項目“航空用先進(jìn)鈦基合金集成計算設(shè)計與制備”中，王皞所在的理論計算團(tuán)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(gòu)建鈦合金高通量多尺度計算設(shè)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(jìn)鈦基合金的計算設(shè)計方面存在的差距，王皞不斷鉆研，力求彌合這一嚴(yán)重影響我國合金研發(fā)的缺陷。王皞針對微觀變形機(jī)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(yīng)導(dǎo)致強(qiáng)化及點(diǎn)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(jī)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(jī)制和加工使役性能優(yōu)化、高溫鈦合金微觀變形機(jī)制和顯微組織優(yōu)化設(shè)計及亞穩(wěn)鈦合金微觀變形機(jī)理和優(yōu)化設(shè)計等方向展開研究，就點(diǎn)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(jī)制、金屬鈦晶界變形新過程等難點(diǎn)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(shè)計、組織控制和工藝優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。

與此同時，王皞也在超級計算機(jī)領(lǐng)域持續(xù)發(fā)力，著力對微觀尺度的幾類主要算法進(jìn)行自主化開發(fā)。青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，在借鑒和引進(jìn)國外已有算法的基礎(chǔ)上，王皞及其團(tuán)隊的自主化研究衍生出很多新的算法，經(jīng)過中國科學(xué)院超算平臺的驗證，這些算法“效果也很好”。相關(guān)成果也為王皞贏得了2014年度中國科學(xué)院沈陽分院優(yōu)秀青年科技人才獎、2015年中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會會員、2017年遼寧省百千萬人才工程等重要榮譽(yù)，王皞還以第二完成人的身份獲得第二屆中國科學(xué)院超級計算應(yīng)用獎和中國科學(xué)院超級計算優(yōu)秀團(tuán)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(xué)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(yùn)動員，一年有360多天都在訓(xùn)練，最后一兩天去比賽，足夠努力、足夠幸運(yùn)才可能獲得一塊獎牌。我做的計算設(shè)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(jì)，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(fù)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(dá)了別人未曾到達(dá)的地方。在這個過程中，從基礎(chǔ)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(tuán)隊醉心科研的根本原因?！?/p>

突破瓶頸推動產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新

在鈦基合金計算設(shè)計領(lǐng)域深耕日久，王皞在日復(fù)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(chǔ)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(shù)和成本的限制，僅在航空航天等高端領(lǐng)域發(fā)揮作用。

很快，王皞就遇到了“知音”。2018年，上海理工大學(xué)增材制造研究院成立，秉承立足國內(nèi)、海納百川的辦學(xué)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(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)，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(shù)相關(guān)的基礎(chǔ)研究、應(yīng)用研究和工藝技術(shù)開發(fā)等工作。這種又稱為“3D打印”的新型技術(shù)，融合了計算機(jī)的圖形處理、數(shù)字化信息和控制、激光技術(shù)、機(jī)電技術(shù)和材料技術(shù)等多項高技術(shù)的優(yōu)勢，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，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(jìn)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(fù)雜結(jié)構(gòu)件制造變?yōu)榭赡?。這也促使此項技術(shù)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(diǎn)方向。智能材料制造領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Γ尅皩W(xué)材料出身”的王皞感到了久違的興奮。以服務(wù)國家重大需求、突破自身研究瓶頸為出發(fā)點(diǎn)，王皞接住了上海理工大學(xué)遞出的橄欖枝，于2020年正式前往這所大學(xué)，就此展開一段全新的科研歷程。

▲上海理工大學(xué)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?！惫蚀耍驹谠谢A(chǔ)研究造就的堅實地基上，著重開展增材制造技術(shù)的應(yīng)用和相關(guān)產(chǎn)品的制造工作。在了解材料屬性的基礎(chǔ)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(gòu)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(shè)，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(shè)備，是國內(nèi)設(shè)備種類最齊全、最先進(jìn)、流程最完整的增材制造研究機(jī)構(gòu)之一。站在這樣的平臺上，王皞帶領(lǐng)團(tuán)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(xué)作為主要參研單位的核電設(shè)備關(guān)鍵組件項目為例，相關(guān)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(dān)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(jī)應(yīng)用條件的增材制造金屬核電部件，對于推廣3D技術(shù)在核能行業(yè)的應(yīng)用具有重要意義。增材制造研究院團(tuán)隊在產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化、生產(chǎn)過程優(yōu)化、處理工藝開發(fā)、微觀結(jié)構(gòu)與性能改善機(jī)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(tuán)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(yīng)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(shè)計組件，被認(rèn)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(rèn)可。項目研制成果屬國內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)了我國核電領(lǐng)域應(yīng)用的空白，總體技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和推廣應(yīng)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(wù)等領(lǐng)域的優(yōu)勢，王皞及其團(tuán)隊進(jìn)一步拓展以鈦基合金為主的多層面應(yīng)用合作。目前，研究院已與中國商用飛機(jī)有限責(zé)任公司、中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)有限公司、中國航空工業(yè)集團(tuán)有限公司、上海微創(chuàng)醫(yī)療器械（集團(tuán)）有限公司等知名企業(yè)建立深入合作關(guān)系，為國產(chǎn)大飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、核電、醫(yī)療等行業(yè)發(fā)展提供強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(tuán)隊要做的，就是努力建立增材制造缺陷的‘評價標(biāo)準(zhǔn)’，讓增材制造產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化的明天盡快到來。”

吾輩自有后來人

從中國科學(xué)院金屬研究所的骨干成員，到上海理工大學(xué)增材制造研究院院長，王皞自認(rèn)最大的變化是更多地和學(xué)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(xué)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(xué)習(xí)方式和工作方式上?！蓖醢偨忉尩?，“本科階段，大多數(shù)學(xué)生都處于基礎(chǔ)學(xué)習(xí)的階段，對‘學(xué)以致用’尚無太多理解，他們習(xí)慣了理論學(xué)習(xí)+標(biāo)準(zhǔn)化評價的模式，是被老師引導(dǎo)、推動著向前走的，自驅(qū)力往往不足。而4年之后，當(dāng)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(xué)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(xué)習(xí)方式和工作方式變了，相應(yīng)的評價體系也變了?！?/p>

▲王皞（左三）團(tuán)隊合照

從自身的經(jīng)歷出發(fā)，王皞深知，學(xué)習(xí)不能只停留在書本上。這不僅會養(yǎng)成學(xué)生的思維惰性，更會加劇其與實際產(chǎn)品、實際應(yīng)用的割裂。為了扭轉(zhuǎn)這一情況，王皞在本科教學(xué)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(yīng)用案例為切入點(diǎn)，讓學(xué)生了解相關(guān)技術(shù)可以產(chǎn)出怎樣的產(chǎn)品、相關(guān)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(xué)生“眼見為實”，逐步萌發(fā)關(guān)于專業(yè)、相關(guān)行業(yè)乃至整個產(chǎn)業(yè)的初步理解，進(jìn)而尋求自己的興趣所在，推動學(xué)生以興趣為原點(diǎn)展開自主學(xué)習(xí)。而對于研究生，王皞更側(cè)重于傾聽和引導(dǎo)：“對于‘迷茫期’的學(xué)生，我不會強(qiáng)求他迅速進(jìn)入積極狀態(tài)。而是在開導(dǎo)聊天的過程中，逐步傳授相關(guān)知識，幫學(xué)生克服畏難情緒。之后引導(dǎo)學(xué)生去看看行業(yè)目前的發(fā)展?fàn)顩r，培養(yǎng)其解決問題的能力，才是我們教育的意義所在。”

“盡量少給標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(xué)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(xué)建模競賽三等獎、2020年第七屆上海市大學(xué)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(xué)增材制造研究院的學(xué)生正茁壯成長為新型材料及高端制造領(lǐng)域的有生力量。

王皞曾有為期1年赴法國學(xué)術(shù)訪問的經(jīng)歷。在此期間，他意識到，當(dāng)時我國在相關(guān)領(lǐng)域與法國等歐美國家的差距，不僅存在于基礎(chǔ)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(chǔ)研究端和實際應(yīng)用端之間成熟的合作機(jī)制上。這給了王皞很大的啟發(fā)。赴任上海理工大學(xué)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(shè)教研團(tuán)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(tuán)隊，其中1人獲青年東方學(xué)者，2人獲2019、2020年上海市揚(yáng)帆計劃，2人獲2019、2020年上海理工大學(xué)“思學(xué)計劃”。對外，他積極運(yùn)用區(qū)位優(yōu)勢，不斷探索新型材料在更多領(lǐng)域應(yīng)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(shù)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(xué)—微創(chuàng)聯(lián)合實驗室等，團(tuán)隊也積極參與了國家增材制造創(chuàng)新中心、大飛機(jī)增材制造協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟（理事單位）、民用飛機(jī)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(tuán)隊成員擔(dān)任中國材料學(xué)會計算材料學(xué)分會委員、上海市增材制造標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會委員、中國材料與試驗團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)委員會/民機(jī)材料領(lǐng)域委員會委員、中廣核核電安全監(jiān)控技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)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(yīng)用潛力和增長潛力。而隨著冶煉工藝和加工技術(shù)的提高，特別是增材制造技術(shù)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(yīng)用等層面的應(yīng)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(qiáng)度和服役溫度等方向上做進(jìn)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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