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 的激光手術刀？

在激光的應用版圖里，它幾乎覆蓋了生產生活的方方面面。激光雷達、激光打印機、光纖激光器等各色激光產品，共同刻畫了其“準確”“快速”“能量巨大”三大特征。

激光如此好用，在工業(yè)領域頗受矚目。今年7月，浙江工業(yè)大學姚建華教授帶領團隊研究的“高質高效激光表面改性技術及其工業(yè)應用”獲得了浙江省技術發(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)大學激光先進制造研究院與機械工程學院雙院院長，也是高端激光制造裝備省部共建協同創(chuàng)新中心主任與激光綠色制造技術創(chuàng)新引智基地（111計劃）負責人。

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?！?/p>

1987年，姚建華即將從浙江大學材料科學與工程學院畢業(yè)；千里之外，一名陜西機械學院（現西安理工大學）導師在業(yè)界提出，希望將激光技術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，他迅速與導師聯系，報考陜西機械學院，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，別說國內前無古人，在國外能參考的范例也幾近于無。而且當時我們又受限于激光器水平，國產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?！?/p>

為了能持續(xù)研究，姚建華在其導師引薦下，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），成為國內激光表面處理領域最早的學術論文之一。

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。

對于將激光引進應用到工業(yè)之上，姚建華付出了20年，這幾乎占了他學術生涯2/3的時間。究其原因，工業(yè)應用不僅要求過硬的技術，對時間成本、經濟成本、效果輸出等都有相應的“指標”。如果其中一項超標了，就難以被大面積推廣應用。

“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。”

姚建華告訴36氪浙江，當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，容易出現裂紋、變形等問題；高頻感應效率雖高，但加熱設備復雜，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，成為提升葉片抗汽蝕能力的新可能。

“激光這么好，國外當然也很看重。十幾年前，汽輪機葉片的激光表面改性技術被德國壟斷，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鍵節(jié)點。這一年，他帶領團隊首次捧回了國家科技進步二等獎，代表著團隊已經掌握了激光加工制造的關鍵技術，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。

有了自有技術加持，安裝一條國產汽輪機葉片生產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不斷提升并推廣到更廣領域?！币ㄈA告訴36氪浙江。

85%的市場占有率 源自不斷的嘗試創(chuàng)新

激光表面改性技術提升需要攻克很多難題，包括使用效率、質量可靠性、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。

“用能場復合技術，把激光表面改性提升了一個檔次，激光表面改性技術提升的進程可以有計劃、有步驟地實現。”

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、上百位工程技術人員與學生組成的研發(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學術領軍人物為團隊作柔性指導。

經過大量的實驗研究與現場作業(yè)，姚建華團隊首次提出將激光技術與動能場、電磁場等其它能場相互耦合：與動能場結合，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；與電磁場結合，延緩了激光的作用時間，以達到更好的控制效果。

電磁復合場對激光改性層中顆粒分布的調控

實際應用效果上，今年疫情期間去杭州汽輪機廠搶修就是個很好的例子。

當時，杭州汽輪機廠設備由于長時間停機，汽輪機核心部件轉子表面出現了磨損腐蝕。姚建華把搶修設備搬到了生產車間，通過高質高效激光現場再制造技術，將維修時間從通常的2個月時間縮短到兩天，并且轉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)現場提供技術服務

便宜且好用的技術自然是企業(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占領了全國85%以上的工業(yè)汽輪機葉片市場。

同時，該技術還大量應用于能源動力、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，應用于高性能艦船驅動單元、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)科學技術一等獎，引領了國內該領域的技術發(fā)展。

“我們也試著讓技術‘出?！?，通過國際合作的形式建立‘一帶一路激光制造國際聯合實驗室’，將技術輸出到烏克蘭、巴基斯坦、泰國、波蘭、加拿大等地?！?/p>

行業(yè)標準下，讓良幣驅逐劣幣

那現在是屬于激光表面改性技術的高光時刻么？

問題拋出時，姚教授的看法充分體現了事物兩面性原則。以激光修復為例，他認為市場剛出現爆發(fā)態(tài)勢，每年有上百家相關企業(yè)注冊冒頭，但真正高質量的、符合生產要求的企業(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，越來越多的人關注這一領域，但是由于缺乏行業(yè)標準，無法判斷某企業(yè)生產的設備是否符合要求。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。”為了讓市場有序且健康地發(fā)展，姚建華作為標委會主任，正逐步推動大批標準設定。

標準的大批量落地不會遙遠，行業(yè)的鼎盛時期也將在5年內出現。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以及一定的市場占有率，才能在行業(yè)內扎穩(wěn)腳跟。

至于激光表面改性技術的未來發(fā)展，姚建華認為，民用生產是不可忽視的方向之一。

與工業(yè)生產一樣，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，為家用級激光產品的出現奠定現實基礎。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激光制造設備，用于日常生活的金屬產品打印及各種修理，預計不久的將來很快會進入千家萬戶。