談起激光，你想到什么？
是《星球大戰(zhàn)》里威力無比、能夠置人于死地的光劍，還是《柳葉刀》中刊登能殺癌于無形 的激光手術(shù)刀？
在激光的應(yīng)用版圖里，它幾乎覆蓋了生產(chǎn)生活的方方面面。激光雷達(dá)、激光打印機(jī)、光纖激光器等各色激光產(chǎn)品，共同刻畫了其“準(zhǔn)確”“快速”“能量巨大”三大特征。
激光如此好用，在工業(yè)領(lǐng)域頗受矚目。今年7月，浙江工業(yè)大學(xué)姚建華教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研究的“高質(zhì)高效激光表面改性技術(shù)及其工業(yè)應(yīng)用”獲得了浙江省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)。
近日，36氪浙江專訪姚建華教授，帶你一同去探索關(guān)于激光的“奇妙世界”。
一切從新奇開始
和大部分能力出眾的人一樣，安在姚建華身上的頭銜很多：他是浙江工業(yè)大學(xué)激光先進(jìn)制造研究院與機(jī)械工程學(xué)院雙院院長，也是高端激光制造裝備省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心主任與激光綠色制造技術(shù)創(chuàng)新引智基地（111計(jì)劃）負(fù)責(zé)人。
不過刨去這些身份，與他緊緊相連的始終是“激光”二字。
“你說我和激光相伴的時(shí)間，那少說也有30多年。”
1987年，姚建華即將從浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院畢業(yè)；千里之外，一名陜西機(jī)械學(xué)院（現(xiàn)西安理工大學(xué)）導(dǎo)師在業(yè)界提出，希望將激光技術(shù)運(yùn)用到有色金屬之中，改善其不耐磨的特性。
激光？有色金屬？
在當(dāng)時(shí)背景下，激光與傳統(tǒng)材料相互作用的研究才剛在國際上興起。初次聽到這個(gè)想法時(shí)，姚建華內(nèi)心的新鮮感與勝負(fù)欲被徹底點(diǎn)燃了。畢業(yè)之際，他迅速與導(dǎo)師聯(lián)系，報(bào)考陜西機(jī)械學(xué)院，并一頭“栽”進(jìn)了激光世界。
初次試水，姚建華就遇到了研究“難題”，即如何利用激光手段來提高汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞（鋁合金）的表面耐磨性。汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞與氣缸之間長期摩擦運(yùn)動(dòng)，活塞一般為鋁制，輕軟但容易劃傷。
“研究激光與材料，別說國內(nèi)前無古人，在國外能參考的范例也幾近于無。而且當(dāng)時(shí)我們又受限于激光器水平，國產(chǎn)的激光器最大功率只有1000瓦。這個(gè)功率的激光器能用于鐵等黑色或深色金屬的表面處理，但面對(duì)鋁這樣的高反光金屬，這功率就遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠了。”
為了能持續(xù)研究，姚建華在其導(dǎo)師引薦下，來到中科院上海光機(jī)所找到蘇寶蓉教授，并在蘇教授幫助下利用美國進(jìn)口激光器對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)活塞及汽缸進(jìn)行表面處理。之后，這份碩士畢業(yè)論文登上了《中國激光》（1992年02期），成為國內(nèi)激光表面處理領(lǐng)域最早的學(xué)術(shù)論文之一。
2/3的從0到1，與1/3的從1到∞
從無到有的過程，從來都是很難的。
對(duì)于將激光引進(jìn)應(yīng)用到工業(yè)之上，姚建華付出了20年，這幾乎占了他學(xué)術(shù)生涯2/3的時(shí)間。究其原因，工業(yè)應(yīng)用不僅要求過硬的技術(shù)，對(duì)時(shí)間成本、經(jīng)濟(jì)成本、效果輸出等都有相應(yīng)的“指標(biāo)”。如果其中一項(xiàng)超標(biāo)了，就難以被大面積推廣應(yīng)用。
“我在這20年里，主要就做了汽輪機(jī)葉片激光表面改性這一件事。汽輪機(jī)葉片的工作區(qū)為濕蒸汽區(qū)，含有大量水滴，在高轉(zhuǎn)速及離心力作用下，葉片容易發(fā)生汽蝕失效。單一支葉片失效，就會(huì)使得整個(gè)機(jī)組停機(jī)。假設(shè)一臺(tái)100萬千瓦的機(jī)組停機(jī)1小時(shí)，那么一小時(shí)100萬度電就沒了，損失極大。如何提高葉片的抗汽蝕性和縮短葉片的維修時(shí)間，成了世界級(jí)的難點(diǎn)。”
姚建華告訴36氪浙江，當(dāng)時(shí)提高葉片抗汽蝕能力的主流工藝有火焰淬火強(qiáng)化、高頻感應(yīng)加熱淬火及電鍍等，環(huán)境污染大且效果并不理想。比如火焰淬火工藝簡單但不易控制，容易出現(xiàn)裂紋、變形等問題；高頻感應(yīng)效率雖高，但加熱設(shè)備復(fù)雜，且變形難以控制。
對(duì)比之下，擁有加熱速度快、變形小、硬度高、可局部處理、易于自動(dòng)化、節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)的大功率激光技術(shù)，成為提升葉片抗汽蝕能力的新可能。
“激光這么好，國外當(dāng)然也很看重。十幾年前，汽輪機(jī)葉片的激光表面改性技術(shù)被德國壟斷，對(duì)于百萬千瓦機(jī)組末級(jí)葉片，單一支葉片就要3萬多歐元，一條生產(chǎn)線下來需要上千支葉片，成本太高了。”
2012年，對(duì)于姚建華來說是一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。這一年，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)首次捧回了國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，代表著團(tuán)隊(duì)已經(jīng)掌握了激光加工制造的關(guān)鍵技術(shù)，解決了汽輪機(jī)表面強(qiáng)化過程中易變形、報(bào)廢率高和污染大等問題。
有了自有技術(shù)加持，安裝一條國產(chǎn)汽輪機(jī)葉片生產(chǎn)線的成本斷崖式下跌，最后只需從德國進(jìn)口成本的七分之一就能制造出來。
“汽輪機(jī)葉片只是開始，此后我們又花了近10年時(shí)間，將激光表面改性技術(shù)不斷提升并推廣到更廣領(lǐng)域。”姚建華告訴36氪浙江。
85%的市場(chǎng)占有率 源自不斷的嘗試創(chuàng)新
激光表面改性技術(shù)提升需要攻克很多難題，包括使用效率、質(zhì)量可靠性、收益比等。
在使用效率上，激光是一道一道掃描的，其效率低于傳統(tǒng)方式；激光本身能量巨大且集中于某個(gè)點(diǎn)，需要精準(zhǔn)的時(shí)間把控，稍有不慎金屬表面就可能被過燒；還有激光雖然可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化處理，但很多時(shí)候金屬表面問題是不相同的，如何批量化處理也是一個(gè)難題。
“用能場(chǎng)復(fù)合技術(shù)，把激光表面改性提升了一個(gè)檔次，激光表面改性技術(shù)提升的進(jìn)程可以有計(jì)劃、有步驟地實(shí)現(xiàn)。”
為了能更好地投入研究，姚建華組建了一支由20多位核心專職研究人員、上百位工程技術(shù)人員與學(xué)生組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并向外聘請(qǐng)了來自英國、加拿大、美國、烏克蘭等國的知名專家以及國內(nèi)學(xué)術(shù)領(lǐng)軍人物為團(tuán)隊(duì)作柔性指導(dǎo)。
經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)研究與現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)，姚建華團(tuán)隊(duì)首次提出將激光技術(shù)與動(dòng)能場(chǎng)、電磁場(chǎng)等其它能場(chǎng)相互耦合：與動(dòng)能場(chǎng)結(jié)合，送料速度將達(dá)到4馬赫的超音速級(jí)別，效率提升至普通激光表面改性的10倍以上；與電磁場(chǎng)結(jié)合，延緩了激光的作用時(shí)間，以達(dá)到更好的控制效果。
電磁復(fù)合場(chǎng)對(duì)激光改性層中顆粒分布的調(diào)控
實(shí)際應(yīng)用效果上，今年疫情期間去杭州汽輪機(jī)廠搶修就是個(gè)很好的例子。
當(dāng)時(shí)，杭州汽輪機(jī)廠設(shè)備由于長時(shí)間停機(jī)，汽輪機(jī)核心部件轉(zhuǎn)子表面出現(xiàn)了磨損腐蝕。姚建華把搶修設(shè)備搬到了生產(chǎn)車間，通過高質(zhì)高效激光現(xiàn)場(chǎng)再制造技術(shù)，將維修時(shí)間從通常的2個(gè)月時(shí)間縮短到兩天，并且轉(zhuǎn)子的使用壽命也比原來提高了一倍多，直接為企業(yè)挽救千萬級(jí)的損失。
姚建華教授團(tuán)隊(duì)疫情期間在企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)提供技術(shù)服務(wù)
便宜且好用的技術(shù)自然是企業(yè)的心頭好。截至目前，姚建華團(tuán)隊(duì)開發(fā)的系列激光表面改性與再制造技術(shù)占領(lǐng)了全國85%以上的工業(yè)汽輪機(jī)葉片市場(chǎng)。
同時(shí)，該技術(shù)還大量應(yīng)用于能源動(dòng)力、石油化工、高鐵、船舶等行業(yè)的核心部件制造中，累計(jì)處理零部件55萬余件，應(yīng)用于高性能艦船驅(qū)動(dòng)單元、神華寧煤十萬空分裝置等百余項(xiàng)重大工程， 2018年也獲得了中國機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)，引領(lǐng)了國內(nèi)該領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。
“我們也試著讓技術(shù)‘出海’，通過國際合作的形式建立‘一帶一路激光制造國際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室’，將技術(shù)輸出到烏克蘭、巴基斯坦、泰國、波蘭、加拿大等地。”
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下，讓良幣驅(qū)逐劣幣
那現(xiàn)在是屬于激光表面改性技術(shù)的高光時(shí)刻么？
問題拋出時(shí)，姚教授的看法充分體現(xiàn)了事物兩面性原則。以激光修復(fù)為例，他認(rèn)為市場(chǎng)剛出現(xiàn)爆發(fā)態(tài)勢(shì)，每年有上百家相關(guān)企業(yè)注冊(cè)冒頭，但真正高質(zhì)量的、符合生產(chǎn)要求的企業(yè)寥寥無幾。也就是說，市場(chǎng)上的劣幣遠(yuǎn)多于良幣。
“市場(chǎng)熱起來了，越來越多的人關(guān)注這一領(lǐng)域，但是由于缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無法判斷某企業(yè)生產(chǎn)的設(shè)備是否符合要求。激光又是一種能量很高的光，稍有不慎，就可能造成重大安全事故。”為了讓市場(chǎng)有序且健康地發(fā)展，姚建華作為標(biāo)委會(huì)主任，正逐步推動(dòng)大批標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。
標(biāo)準(zhǔn)的大批量落地不會(huì)遙遠(yuǎn)，行業(yè)的鼎盛時(shí)期也將在5年內(nèi)出現(xiàn)。屆時(shí)，將是一個(gè)存量競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)期，企業(yè)只有拿出過硬的技術(shù)以及一定的市場(chǎng)占有率，才能在行業(yè)內(nèi)扎穩(wěn)腳跟。
至于激光表面改性技術(shù)的未來發(fā)展，姚建華認(rèn)為，民用生產(chǎn)是不可忽視的方向之一。
與工業(yè)生產(chǎn)一樣，生活中使用的工具80%的問題源自于表面失效，比如磨損、腐蝕等。激光表面處理大有用武之地，激光作為一種工具技術(shù)將普適于各行各業(yè)，能有效延長生活工具的使用壽命，市場(chǎng)前景廣闊。
好消息是，隨著技術(shù)發(fā)展，激光單位能量成倍增長，造價(jià)則呈相反趨勢(shì)，一路下跌，為家用級(jí)激光產(chǎn)品的出現(xiàn)奠定現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)。目前，姚建華及其團(tuán)隊(duì)正著手研究這一方向，并同步開發(fā)可攜帶式3D激光制造設(shè)備，用于日常生活的金屬產(chǎn)品打印及各種修理，預(yù)計(jì)不久的將來很快會(huì)進(jìn)入千家萬戶。
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