南航董曦曦教授：破局之道——轻合金铸造与智能化的双重变革

董曦曦，南京航空航天大学教授、博导，国家级青年人才，江苏特聘教授。担任“先进成形技术与装备全国重点实验室”共建单位负责人、南航航空宇航制造工程系实验室主任。2015年博士毕业于清华大学机械工程系，2016-2023年在英国布鲁内尔先进凝固科学技术中心(BCAST)和英国国家液态金属工程中心(LiME)工作。主持或参与国家级青年人才项目、江苏省部级项目、英国国家级重大创新项目/重大产业化推广项目、欧盟重点企业委托攻关项目等；在Acta Materialia等期刊发表论文50余篇；申请国内外发明专利10余项，其中4项国际发明专利已在英国和欧盟地区新能源汽车、航空航天企业实现转化应用。担任《Journal of Magnesium and Alloys》、《China Foundry》、《特铸》、《精密成形工程》等期刊青年编委。研究成果获2023年国际镁协优秀奖(排2)、2022年国际镁科学技术奖 (排2)、2017年英国国家奖(排2)、2015年清华大学优秀博士学位论文奖等。

因为我本人擅长的是铸造里面的一个大方向，是轻合金铸造这一块，现在主要的研究方向分为3块，一个是高性能的轻质合金材料，包括铝合金和铸造，就是铸造相关的铸造铝合金和镁合金，高性能的各种高性能的轻质铸造合金的开发。然后第二部分是智能化的工艺和装备，涉及到工艺呢，就相当于是有重力、低压、高压，还有包括现在的熔模铸造，这个航空航天用得比较多，还有以前我做的汽车相关的比较多，特别是在国外的时候。然后回到国内之后呢，因为南航这个学校，我们知道特色是航空航天，所以说现在三分之一的工作大概是做和航空航天相关的铸造，这就涉及到熔模精密铸造。然后第三个主要的方向就是现在都讲AI+材料、AI+铸造，所以说现在就是围绕在智能化的材料开发和智能化的工艺方面和智能化的装备开发方面，这目前也是我们这个课题组一个新兴的研究方向。

这个耐热镁合金，大体上分为两类，一类比如说我们那个重力和低压这一块，当然熔模也可以用，第二块就是用到那个压铸、高压压铸这一块。而我们现在呢，无论是用到那个重力和低压还是高压这一块，像镁合金耐热镁合金，都承载着科学上的一个问题，就是要把镁合金做强，一般都需要热处理强化，强化之后呢，镁基体里面就会长出析出相，现在目前存在一个科学挑战，就是这个热处理时效析出基体内部的纳米析出相，它一旦温度超过250℃之后，这个析出相就粗化得比较厉害，这就导致它在250℃以上的这个耐热能力不足，现在是存在一个这样普遍的科学上的挑战。所以现在围绕这个挑战有好多种思路在克服，现在整体上，我们的重力和低压铸造镁合金，因为它能够热处理，所以它的强度会高一点，它初始的铸态强度会高一点，然后到了250℃以上呢，虽然说它强度掉得比较厉害，但它相对于我们的高压压铸，因为高压压铸一般是直接压完就直接用，所以高压压铸初始的强度，比重力和低压这种热处理之后的强度要低一点，因为它没有热处理，所以就导致压铸这一块我把温度做到250℃以上或300℃以上的难度更大。

至于这两块的应用场景，比如说耐热镁合金现在就应用于一些高速的飞行器，现在飞行速度更高了之后，以前可能要求250℃就够了，但现在飞行速度更快了之后，它的摩擦生热，包括发动机里面，它对耐热温度的需求更高了，这一块就是主要集中在可能是航空航天里面，对于耐热镁合金的要求可能需求多一点。而民用里对于耐热镁合金的应用，比如说我们之前在英国的时候，给欧盟一个企业做的耐热镁合金，它就是做民用的电动工具，比如说在花园里面用的工具。包括现在全球的链锯里面，它还是用的燃油发动机，燃油发动机里面就需要这种耐热铝合金和镁合金。

我们当时做那个课题，为什么用镁合金呢，因为像链锯这些手动工具是需要人操作的，用镁之后它就比铝轻，这样到人操作的话，比如说我操作一个6kg和操作一个5kg，长时间操作那肯定5kg这个优势还是更大的，所以民用里面还是涉及到耐热镁合金，这也必然是一个温度场景的需求，那要么是发动机，要么是刚才讲的那种高速飞行器，它的外界会产生额外的热，所以它要耐热。目前压铸这一块和新能源汽车这一块，对这个耐高温镁合金应该没有太强的需求吧，因为它那个电机发热没有像内燃机里面的温度，内燃机里面温度一般是300℃左右，但我们现在汽车它的场景可能很难达到300℃以上，所以说它有这样一个耐热镁合金的需求，但是没有燃油发动机或者说航空航天这样的需求高，但是它会对导热有需求，因为有电机的热量，要快速地把它吹出去，所以说在新能源汽车里面对高导热镁合金肯定是有需求的。

耐热是取决于你的使用工况，就是绝对温度，刚才讲了科学方面的挑战，就是250℃是一个分界线，如果现在要做250℃以上、300℃，特别是400℃，现在提的挑战就是比如说铝合金镁合金，现在做到400℃，特别是要做到大批量的可靠的，做到400℃以上是一个挑战。但是从科学研究进展来说，现在取得了一些进展，比如在铝合金方面，之前在《nature material》那种期刊上，报道了那个原位相变，就是让析出相怎么样更稳定，可以把它做到300℃、400℃，甚至现在通过复合材料的途径，可以把耐热铝合金做到500℃，就用复合材料里面加陶瓷颗粒，陶瓷粉，这是现在有科学上已经报道的，但是镁合金这一块呢，现在还没有进展。

我们现在做到300-350℃，我们提了一个新思想，就是高温会快速温度升高，因为它扩散能力增强，强化相就扩散，扩散粗化之后它的强化能力就弱了，我们现在就提了一套新的耐热的结构，所以说我预测镁合金后面会像铝合金一样，有耐400℃的。但是镁和铝它有一个区别，就是镁合金一旦温度过了400℃之后，它的氧化非常厉害，铝合金就不存在这个问题，所以说铝合金可能400℃是一个标志性的一个使用温度场景。我们现在就是摸到这个350℃这个槛，就300℃到350℃，而且我们是在压铸这个特别难的这个事情上我们取得了一点成绩。接下来就是在重力铸造这个方面，看能不能做到350-400℃。现在350-400℃它的绝对强度还是比压铸要高，但是不采用新思想就掉得幅度大，它虽然说刚开始的那个绝对值大，但是掉得多，到了350℃之后掉得特别厉害，温度每增加25℃都掉得特别厉害。

我们在英国也做了不少低压铸造工作，我们那个低压铸造当时是给汽车做副车架，还有就是它里面有些连接件。在英国的趋势是已经把数字孪生技术用到了低压铸造里面去了，然后第二个特色是我们掌握的技术，一个是低压铸造全流程的，一个是最基础的高性能的材料，这一块我们有一个国际专利，另外在工艺方面，我们是有一套标准的，对材料的铸锭的控制，再到铸锭来了之后，熔炼过程中会有一套熔体处理的流程，它要标准的规范，从熔体完了之后再到浇注成为铸件这个过程，这是另外一套工艺规范，然后这之后呢，有一套测试的标准，就是比如说熔体的增量控制到什么程度，我们是有精确的指标能控制，相当于说我们掌握的技术优势，就是有全流程的，一个从基础的铸锭，到工艺到出来产品一套全流程的，我们自己内部定的一条规范，而且是可量化的规范。然后第三块就是我们把数字孪生技术，用到了低压铸造里去，这个项目是大概五年前我们在英国做的一个项目，就是和英国的一个低压铸造的一个公司合作来做的这件事情。国内目前在低压铸造这一块应该是很少。国内低压铸造现在已经上了一些新的产线，智能化成本还很高，但是AI肯定是未来的趋势，数字孪生+AI肯定是辅助铸造，这是未来的趋势。我们现在是做到了这一步，把数字孪生引进去了，这个工作实际上是五年前我们就开展了，然后这个论文应该是很快会发表，所以说这个就是我们这边的特色，就是我们有全流程的品控，有自己的合金材料，然后有新的智能化的低压铸造技术结合数字孪生，当然后面就说一定是要发展AI，发展成为全流程的智能化。

智能铸造这个概念比较大，国内这个程度现在不好讲，我只能把我自己知道的给大家分享一下。智能铸造不能简单地说它到底是什么，我个人理解，大体上它可能至少分为3块，一块是智能化铸造的铸造材料的开发，第二块就是用了材料之后工艺的智能化，这里工艺包括的核心思想，就是要有工艺数据的学习，和出来的产品的缺陷、质量、成品率这些挂钩，然后形成一个生产实际，可以原位控制的工艺。比如说以前的工艺就是靠经验，靠现场的师傅和设计师的经验来设计，现在就是通过这样一个大数据的学习，经过学习我可以智能化地确定这样一个工艺，或者说出了问题我可以实时地优化调控，智能化地去调控工艺。第三个就是智能化的装备，就现在的低压压铸机、高压压铸机的装备，整个装备就是一套智能化的装备。所以说这个智能铸造起码至少要包含这三个方面。而这三个领域是缺一不可，因为最后都是从材料到工艺到最后做这个产品的智能化装备，它有机地连接起来最后才能获得高性能的产品。所以说智能化的工艺，辅助的点在于，一个是把产品的稳定性和成品率提高，这一块加了智能化肯定会有帮助，但智能化肯定是至少包括材料工艺装备各方面有机协调。

我觉得其实国内发展是不错的，像我们北科大有院士在做，包括上海大学，还有其他好多的学校都在做这一个高通量计算，智能材料开发。但是我这里可以给大家分享一个大家不知道的，我们在国外的一个情景，国外的智能化材料分为一个正向设计，一个反向设计。正向设计从源头出发，比如说根据基础的材料的物理化学知识，需要什么目标场景，我就可以自动地一步一步地根据一些准则，把它筛选出来，这叫正向设计。反向设计就是说可以根据实验数据，反过来设计，这两个路径都是可以的。目前在英国，其实已经出现了这样一个智能化的，主动设计的一个工业软件。就是我们做过一个项目，在回国之前，2021年做过一个项目，我们当时设计铸造铝合金，就用的那个软件平台。那个软件平台开发出来，是花了应该是20到30年，至少这么多年的沉淀，不是5年弄出来的，那个是正向设计的软件。这一块国内现在应该是投入了，我们不是建那个材料基因工程吗，这块其实我们已经做了好多年了，所以说其实国内这块并不弱。但是我觉得，国内可能现在需要形成这种工业化的软件。比如说我在英国见到了他们已经出了这样一个可以商业化的工业软件，它可以不光只是应用在我们铸造合金的开发，也可以用于增材合金的开发。这一块是材料方面的，工艺方面我刚才就讲了，在英国现在已经达到这样一个程度，把数字孪生充分地融入到铸造里面去，大概在五六年前英国已经就是把数字孪生就用到这里面去了。像这个阶段我们已经引入了，但现在这一阶段我估计应该是把智能化引入到工艺里面，我们那个数字孪生，它不是简单的数字化，比如说之前我模拟出来只能看到缺陷，用了数字孪生技术之后呢，我们可以看到铸件的性能，就是铸件只要在工业条件中铸件设计完了，铸件一出来我们知道铸件这个地方那个地方性能是多少，这是我们的一些优势，这也是我们关于工艺方面的一个特色。

然后在工艺方面，特别是压铸方面我们也做了很多大量的工作，提到一体化压铸工作最经典的，为什么现在做1m-2m长，它充到600mm就不行了，有很多缺陷，这个结果是我们最先做出来的，也是我们最先报道出来的。现在根据这样一个基础点不是开发双压射吗，双压射就是基于这样一个实验事实，这个文章我们是2022年发表的，然后现在就是说双压射，而我现在正跟我英国导师一块合作来做这个事情，现在我们就想说不用双压射应该也是有可能有办法把这个事情给解决了。所以我们要做就做这个行业的难题，包括之前做耐热镁合金，被压铸很难，当时是那个欧盟的公司，他也找了澳大利亚的人，澳大利亚的人不敢接这个活，因为难度风险很大，后来就是我们老师硬把这个接下来了，然后我跟老师一起合作，让这个东西取得一点起色，我们就希望能对这个行业有点帮助。

 

那个耐热镁合金我们已经量产了，因为我们在英国是一个工程中心，我们是从技术研究到工程应用，是要面向工程应用的，特别在英国跟老师一直是做的是跟欧洲、北美的企业合作，就是面向工程应用的。但是做的很多问题涉及到的底层呢，有很多科学问题没解决，刚才讲的就是耐热镁合金，这就是一个典型的案例，包括一体化压铸的充型，超过600mm之后它那个性能后面的缺陷就很多，这一块怎么去控制它。所以说我们现在一体化压铸这一块，目前还在做的工作一个是刚才说的智能化的材料，我们已经开发出了一套基于实验数据，我们是反向设计的，智能化的软件系统已经出来了，基于自己积累的实验大数据，然后另外一个就是刚才讲的工艺方面，针对这个行业的痛点和难点，我目前在做一个工作，这个工作可能预计三年之后，一体化压铸比如说充到1m之后，它可能比以前更好了，这个应该是不一定非得采用双压射。

 

这一块其实一直很难，但是我可以根据我们跟企业合作的经验，特别是国外的企业的合作经验给大家分享一下，为什么有些成果从学校到企业很难。我举一个案例，我们当时跟欧洲一个企业合作做一个东西，其实在实验室测得很好了，但这个技术到了现场，它不是到现场马上就能用的，它需要企业里面有经验的工程师来转化。比如说我之前把铝合金变成镁合金了，那铝合金和镁合金它这个装配，它的热膨胀系数、间隙什么都不一样。但这块属于机械设计，这不是我们擅长的领域，但在欧洲公司里面，他就有擅长这种，我把材料变了之后这个间隙怎么样去设计，他有很靠谱的分析软件。换了场景和换了材料之后，或者换了新产品，企业里面一定要转化之后应用。一个技术从高校、研究所到企业，企业里面的工程师一定要做一些改进的，我分享的经验就是在这，就是说企业里面要有而且是要两方联合起来，把这个空缺给弥补了。并不是说学校开发的这个材料、工艺它不好，只是你要适应这个场景，它会要做一些改善，这个改善比较重要。

那现在也知道这种国内的企业其实很多还是在强调生产和销售，对研发对技术这一块目前投入的这个能力和精力好像是不够的。另外还有一部分就是，企业的负责人就希望学校研究所拿一个技术过来直接能用，所以我自己的亲身经历就是，一个技术从学校，因为学校并不具备生产的环境和掌握能力，我们把材料开发出来了，把工艺开发出来了，这个材料要制造出来，这个现场的工艺也很重要，这个工艺是要两方联合，有些时候可能就是一个模具没设计好，或者说一个材料换了之后热膨胀系数变了，间隙没设计好，就导致整个铸件最后效果就完全不一样。所以说这个环节就是我们的一点经验。我们那个项目在国内也有人做过，最后国内没有推广起来，但是我们在国外把它做成功了，就是因为企业有非常有经验的工程师来配合你把这件事情走到底了，也就是说国内的企业其实后期也需要能够更好地适应高校的研究成果，能够有更好的技术开发人员来对接。那我觉得这块应该说这几年我看国内的企业，他们也有开始成立研发中心，我想后期的话跟高校的对接可能会更顺利一些，以后这趋势肯定是这样。从国家层面讲，现在在长三角地区设立国家级的中试平台，就是为了弥补这样一个学校研究所的技术到了企业生产中间的缺漏，现在国家趋势就是设立国家级的中试平台基地。另外一个现在国家特别强调产业化转化，所以这提了一个很好的问题，就是那种比如说长三角的国创中心，就是拿了这些新技术来孵化转化应用了。