加强先进基础工艺创新能力

清华大学材料学院及机械工程学院教授、院士 国家制造强国建设战略咨询委员会委员  柳百成

我今天就四基中间的一基,先进基础工艺谈一下我个人的看法。

众所周知,四基已经成为制约我国工业由大变强的症结所在,制约我国提高自主创新能力及全球竞争力的瓶颈所在。

近年来,我国先进基础工艺取得相当进展,比如,我们重型机械的生产方面,铸件重最大做到了530吨,液体钢液重达830吨,但与国外工业发达国家相比,仍有较大差距。

我国现在启动第17个重大专项,“要加快实现航空发动机及燃起轮机的自主研发和制造生产”。我们国家商用大型航空发动机全部引进,重型燃气轮机制造技术依赖国外。航空发动机有一个叶片,不到一公斤,需要十几万的价钱来进口,这个高温合金叶片制造技术涉及基础材料及工艺和冷却系统设计,在国内还属于技术空白,国外做的设备,甚至在叶片报废以后,都不准中国拿过去,设备商要求回收。

这两个零部件涉及到材料、设计和工艺的问题,尽管从锻造发展到了铸造,现在我国是第二代水平,国外已经发展到了第四代。这里面的技术含量在工艺、冷却系统设计、定向凝固与铸造工艺、陶瓷涂层工艺等等,我国家在涂层发表的论文,国际上已经排第一、第二了,但是我们的技术和工程仍然不行。但是研究成果和材料应用上有很大的反差。

以上是我们国家工业的基础工艺现状,再看我国的制造基础现状,我国的数控机床配套的数控系统90%是依靠进口,高档数控机床精度稳定性、可靠性有较大差距。

精度稳定性和可靠性与材料及制造基础工艺有关。今年6月份,我访问了一个研究所,但是验收以后,过了半年,稳定性和思考性逐渐在下降。一喜一忧,喜的是我们取了进展,忧的是还不太行。

什么是智能机床呢?包括传感器、数据采集、工业软件,可以对制造过程做出决定的机床。智能机床了解制造的整个过程,能够监控,诊断和修正在生产过程中出现的各类偏差。并且能为生产的最优化提供方案。这是引进国外的真正的先进智能制造。我国的制造基础现状是有成绩,但是离高端的还是有差别的。

我们再来看看国外加强制造工艺基础能力的进展,我不赞成简单照抄德国的经验,也不赞成照抄美国的,但是他山之石可以攻玉。

美国、英国等在“再工业化战略”指引下,采取了多种举措加强制造领域,进行了竞争性共性技术研究。包括我们的技术供应,包括我们的技术材料。美国如何再工业化呢?它推行由一批“制造创新研究院(IMI)”组成的“国家制造创新网络(NNMI)”。现命名为:“制造业 – 美国(Manufacturing USA)”。美国的“制造创新研究院(IMI)”有四大特点:非赢利,从事竞争前、共性技术研发,成果共享,产学研联盟。为什么美国要推行再工业化,他认为这是解决研究成果产业化中间阶段的空缺,企业自己搞研发、产业化。美国学了德国的经验,我觉得这个情况和我们相似,我们国家的创新体系工程也有吸取他们有益的方面,为某一个行业服务、为某一个企业服务,要为大中小企业服务。

英国则建设了一批技术与创新研究中心(Catapult)。 同时,又特别强调加强制造基础能力与信息化深度融合。2010年,英国建立了高价值制造(HVM)技术与创新中心,中心下成立了先进成形技术、先进制造、过程创新、制造技术、国家复合材料等7个高价值制造技术与创新中心,聚焦于“先进和前沿制造技术的创新发展的产业化”。其中有5所聚焦先进基础工艺与材料研发。

下面我举两个例子。英国、美国在加强基础工艺的研究中间,十分重视和信息化深度融合。美国GE公司采用ICME(集成计算材料工程)技术(工艺-组织-性能建模与仿真),研发航空发动机单晶叶片制造技术。美国企业家特别重视这个,ICME第一个是集成,提的口号是从原子到汽车。英国罗-罗公司采用全流程建模与仿真技术研究与开发航空发动机涡轮盘制造技术。英国和美国十分重视工艺材料,十分重视工艺和材料的研发,而且还要将两者结合起来。

最后,谈谈我们应该怎么做?如何加强我国的先进基础工艺创新能力。

2014年6月,中国工程院启动了“工业强基战略研究(一期)”。建议聚集10大先进基础工艺(离散型制造业),可进一步突出其中6大先进基础工艺。


2016年6月,中国工程院又启动“工业强基战略研究(二期)”,为进一步实施“工业强基工程”提供战略咨询。我受委托负责一个课题——重大领域“一条龙”推进路线图研究。其中的一个专题是超大型构件先进成形及加工制造工艺“一条龙”推进路线图研究,计划城里组成协同创新联盟。我们通过这个工作,经过努力,把国内的优势行业组合起来,过去国内的一些领先行业,大家都有些保密和回避,但是为了国家利益,我们把他们组织起来了。

最后,我提一下我的建议:

第一、加强“先进基础工艺”创新能力及平台建设。要建设一批独立、非营利为目的,能为跨行业、或全行业服务的关键的、竞争前先进基础工艺创新研究中心(国家或省级),如轻量化材料与工艺创新研究中心(已建立协同创新联盟)等。

第二、基础工艺研发要和信息化技术深度融合。 加强数字化、智能化(ICME)先进基础工艺研发。过去我们都是试错法,现在我们是用模拟仿真,模拟仿真可以用到多尺度。

第三、充分发挥产学研用积极性,组建联盟,分工合作,各司其职,协同创新。产学研联合起来,共同解决共性技术,形成联盟。不可能让企业都去搞交钥匙工程,我们国家创新体系,应该是有阶段的。

第四、加强国际交流和合作,包括引进人才等等。