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、激光打印機、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)團隊研究的“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。

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)激光先進制造研究院與機械工程學(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計劃）負責(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。初次聽到這個想法時，姚建華內(nèi)心的新鮮感與勝負欲被徹底點燃了。畢業(yè)之際，他迅速與導(dǎo)師聯(lián)系，報考陜西機械學(xué)院，并一頭“栽”進了激光世界。

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)動機活塞（鋁合金）的表面耐磨性。汽車發(fā)動機活塞與氣缸之間長期摩擦運動，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，但面對鋁這樣的高反光金屬，這功率就遠遠不夠了。”

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所找到蘇寶蓉教授，并在蘇教授幫助下利用美國進口激光器對汽車發(fā)動機活塞及汽缸進行表面處理。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。

對于將激光引進應(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的時間。究其原因，工業(yè)應(yīng)用不僅要求過硬的技術(shù)，對時間成本、經(jīng)濟成本、效果輸出等都有相應(yīng)的“指標(biāo)”。如果其中一項超標(biāo)了，就難以被大面積推廣應(yīng)用。

“我在這20年里，主要就做了汽輪機葉片激光表面改性這一件事。汽輪機葉片的工作區(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，就會使得整個機組停機。假設(shè)一臺100萬千瓦的機組停機1小時，那么一小時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間，成了世界級的難點?！?/p>

姚建華告訴36氪浙江，當(dāng)時提高葉片抗汽蝕能力的主流工藝有火焰淬火強化、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、易于自動化、節(jié)能環(huán)保等特點的大功率激光技術(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，汽輪機葉片的激光表面改性技術(shù)被德國壟斷，對于百萬千瓦機組末級葉片，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?！?/p>

2012年，對于姚建華來說是一個關(guān)鍵節(jié)點。這一年，他帶領(lǐng)團隊首次捧回了國家科技進步二等獎，代表著團隊已經(jīng)掌握了激光加工制造的關(guān)鍵技術(shù)，解決了汽輪機表面強化過程中易變形、報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)汽輪機葉片生產(chǎn)線的成本斷崖式下跌，最后只需從德國進口成本的七分之一就能制造出來。

“汽輪機葉片只是開始，此后我們又花了近10年時間，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點，需要精準(zhǔn)的時間把控，稍有不慎金屬表面就可能被過燒；還有激光雖然可以實現(xiàn)個性化處理，但很多時候金屬表面問題是不相同的，如何批量化處理也是一個難題。

“用能場復(fù)合技術(shù)，把激光表面改性提升了一個檔次，激光表面改性技術(shù)提升的進程可以有計劃、有步驟地實現(xiàn)?！?/p>

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)團隊，并向外聘請了來自英國、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)軍人物為團隊作柔性指導(dǎo)。

經(jīng)過大量的實驗研究與現(xiàn)場作業(yè)，姚建華團隊首次提出將激光技術(shù)與動能場、電磁場等其它能場相互耦合：與動能場結(jié)合，送料速度將達到4馬赫的超音速級別，效率提升至普通激光表面改性的10倍以上；與電磁場結(jié)合，延緩了激光的作用時間，以達到更好的控制效果。

電磁復(fù)合場對激光改性層中顆粒分布的調(diào)控

實際應(yīng)用效果上，今年疫情期間去杭州汽輪機廠搶修就是個很好的例子。

當(dāng)時，杭州汽輪機廠設(shè)備由于長時間停機，汽輪機核心部件轉(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)場再制造技術(shù)，將維修時間從通常的2個月時間縮短到兩天，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)挽救千萬級的損失。

姚建華教授團隊疫情期間在企業(yè)現(xiàn)場提供技術(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，姚建華團隊開發(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)汽輪機葉片市場。

同時，該技術(shù)還大量應(yīng)用于能源動力、石油化工、高鐵、船舶等行業(yè)的核心部件制造中，累計處理零部件55萬余件，應(yīng)用于高性能艦船驅(qū)動單元、神華寧煤十萬空分裝置等百余項重大工程， 2018年也獲得了中國機械工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎，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?！?，通過國際合作的形式建立‘一帶一路激光制造國際聯(lián)合實驗室’，將技術(shù)輸出到烏克蘭、巴基斯坦、泰國、波蘭、加拿大等地?！?/p>

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)的高光時刻么？

問題拋出時，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，他認為市場剛出現(xiàn)爆發(fā)態(tài)勢，每年有上百家相關(guān)企業(yè)注冊冒頭，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，市場上的劣幣遠多于良幣。

“市場熱起來了，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?！睘榱俗屖袌鲇行蚯医】档匕l(fā)展，姚建華作為標(biāo)委會主任，正逐步推動大批標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。

標(biāo)準(zhǔn)的大批量落地不會遙遠，行業(yè)的鼎盛時期也將在5年內(nèi)出現(xiàn)。屆時，將是一個存量競爭的時期，企業(yè)只有拿出過硬的技術(shù)以及一定的市場占有率，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，造價則呈相反趨勢，一路下跌，為家用級激光產(chǎn)品的出現(xiàn)奠定現(xiàn)實基礎(chǔ)。目前，姚建華及其團隊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)計不久的將來很快會進入千家萬戶。