高端装备是制造业的高端领域，主要为航空、航天、船舶、轨道、汽车、电力等领域提供产品和服务支持，是现代产业体系的脊梁，是推动工业转型升级的引擎。“一代材料，一代技术，一代装备”。从高端装备制造业发展的历程来看，技术更迭是其主要特征，技术更迭依赖于先进材料与工艺技术的创新，而更迭迅速需要信息技术的加持。如今的信息技术以数字化特征呈现，可为先进材料与工艺技术创新插上翅膀，在高端装备制造过程中实施数字化策略，能明显加速复合材料、激光加工、增材制造等先进材料与工艺技术的应用进程，促进高端装备的快速发展。

       一些发达国家通过将其它产业的前沿科技融入高端装备制造业获得创新发展，而我国由于相关产业起步晚、起点低，更加注重在重点方向进行突破，如先进材料及其工艺技术。随着高端装备制造业数字化进程的加快，一些领域关键核心技术“卡脖子”问题正在被一一攻克，作为基础研究的先进材料及其工艺技术，通过应用CAD、CAE、CAM、CAPP、VR/AR、AI、数字孪生等数字化技术开展对材料与工艺技术创新，不断赋能高端装备实现智能制造，如航空耐高温发动机，船舶兵器的高功率密度柴油机，以及被誉为未来产业的人形机器人减速机等。这些重要动力部件的研制门槛高，硬件制造成本高。其原因归结起来就是基础研究欠账太多，需要对这些部件的材料与工艺从理论到产品试制进行深入研究，经梳理研发流程发现，需要经历由浅入深的两段路径：研制初期为可制造性突围阶段，需完成理论知识积累、大量试错、纠错改进，建立点状支撑的数字化设计验证平台；第二阶段为制造可持续阶段，进行深入研究，建立全链条的数字孪生制造平台，开展数据采集、数据库建设，实现产品迭代升级。通过初期的技术探路，为制造可持续阶段打下基础，进入第二阶段后，不仅知其然，也知其所以然，即可实现对高端装备及其重要部件的快速迭代，使制造过程具有可持续性。

1 聚力攻关，实现首件突围

       高端装备作为我国的战略新兴产业，从国家层面一再强调要增强其制造的核心竞争力，要集中优质资源合力推进关键核心技术攻关。高端装备的核心关键技术由于国外封锁，我国为了实现高水平科技的自立自强，国产化研制方法一般沿袭传统思路，在进行可制造性分析后，倒逼材料选型及其成型工艺方法，进行大量的试验探索，经过试错纠错，实现首件突围。
 
       1.1 先进材料探索

       对先进材料的理论研究、产品研制、应用推广推动着人类社会不断发展进步，而高端装备的发展和创新，一定离不开先进材料的支撑。对于耐高温轻质高强部件，如航空发动机涡轮叶片，由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一部件，被誉为“皇冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力成为一种型号发动机先进程度的标志，也代表一个国家航空工业水平。某型发动机空心涡轮叶材质为镍基高温合金，该合金具有耐高温性能，也能满足在高温下具有较高的力学性能，但由于性能要求须采用定向凝固单晶铸造成型，同时由于空心结构，该材质的叶片型值复杂制造过程易变形，而叶片尺寸精度要求高，制造难度很大，成品率低，制约行业的发展。当采用碳纤维陶瓷复合材料制作飞机发动机叶片后，不仅使叶片大幅度减重，耐高温性能大幅度提高，同时其制造难度明显下降，成品率升高。如碳纤维增强的氮化硅陶瓷叶片，可在1400℃的温度下长期使用，图1为陶瓷基复合材料叶片熔体渗透工艺示意图。我国研制的新一代复合材料叶片为碳纤维增强石英陶瓷，该材料抗冲击强度高，比强度、比模量成倍提高，能承受1200～1500℃的高温气流冲击，是一种很有前途的新型复合材料，可支撑新一代装备的研制。

       1.2 工艺优化

       对于大型复杂动力部件，如船舶柴油机曲轴和缸盖等。曲轴作为柴油机的核心部件之一，由于要承受旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，要求曲轴有足够的强度和刚度、轴颈表面耐磨、工作均匀、平衡性好。如某型低速柴油机曲轴长达数十米，需锻造成型，为了提高疲劳强度，要求该大型曲轴内部金属呈全纤维流线，制造难度很大，周期长造价高，在十多年前的交船旺期一度成为关注焦点，出现了“船等机（柴油机）、机等轴（曲轴）”的尴尬局面。缸盖作为柴油机的核心部件，其质量直接关系到柴油机的整机性能和产品的市场竞争力，缸盖材质一般为高牌号的合金铸铁或球铁，其型腔中分布有冷却水道、进排气道，还有高压油孔，内腔结构非常复杂，导致缸盖铸造难度大，常出现气孔及心部缩孔缩松缺陷，验收要求进行水压试验，由于在打压试验中易渗漏，导致废品率居高不下。对于这些大型复杂件国产化研制，通过高性能船舶专项攻关，采用先进技术进行工艺优化，建立数字化工艺设计验证平台得以攻克，缩短了制造周期，降低了成本并提高了我国曲轴、缸盖的工艺水平。

       1.3 知识积累

       人形机器人高精密摆线减速机齿轮是典型的耐疲劳精密传动部件，为了提高减速机齿轮的传动精度和使用寿命，在制造时需要保证齿面的硬度和耐磨性，齿轮的材料选型及其热处理工艺就是关键。如某型人形机器人高精密摆线减速机齿轮首件研制从零起步，从对齿轮传动的基础理论开始入手，之后研究齿轮材料、热处理，再到零部件的设计，不断进行试错、纠错，通过步步闯关，直到首件研制成功，逐步掌握高精密摆线减速机齿轮的设计原理，以及与之相关产品的设计及制造工艺关键技术。

       可见，为了获得高端装备的首件首台套，研制可以不计成本从大量的废品中总结经验，最后在一大堆试制件中“十里挑一”甚至“百里选一”获得首件产品，虽然解决了首台套的有无问题，但研制周期长、成本高，制造经济性差难于可持续，遇到有批量需要或者升级的新产品投产，明显会“卡脖子”，难以及时交付，成为制约高端装备发展的瓶颈。

2 系统集成，赋能可持续制造

       由于我国在基础研究领域有明显的短板，使我国在高端装备如航空、航天、船舶、兵器等领域的发动机性能与国外发达国家的差距较大，而发动机性能不佳的主要原因是其关键零部件的材料或其工艺跟不上，达不到设计要求。近年来，我国通过发挥新型举国体制优势，在一些领域通过专项重点投入进行技术改造，引入先进的数字化技术并进行本地化定制，应用数字化技术的可视化、集成化、网络化特点，攻克了制约高端装备发展的材料与工艺难题，完成了首件小批量国产化的突破，取得了阶段性成绩。但随着全球环境的恶化与资源的循环利用要求，制造业的可持续发展迫在眉睫，国家引导制造企业在细分领域进行集智攻关，倡导先进材料及工艺技术的应用，尤其是将数字孪生应用于高端装备的制造过程中，使制造过程实时、可视、精准、量化，可明显改善之前高端装备制造中的多个堵点，使高端装备的升级换代越来越迅速，产品设计低成本化，制造绿色化，进而实现资源的高效利用与可持续发展。

       2.1 先进材料及其界面研究

       材料创新可产生颠覆性创新，快速实现产品的更新换代。如航空、航天等制导系统中的某部件，当材料被替换升级为铍铝合金后，可使该装备的导航精度直接提高两个数量级。研究发现，铍铝合金作为一种金属基复合材料，具有轻质（比铝合金轻24%，比钛合金轻54%）、高强度和高刚度（弹性模量为钛合金的2倍，与钢接近）、优异的尺寸稳定和减振降噪性能，且热膨胀系数低（铝合金的60%，与钛合金相近）、导热性能良好等许多优良特性，在许多领域得到广泛应用。在航空领域可以代替树脂基复合材料，不仅减轻了质量，而且提高了性能。目前，铍铝合金是航空、航天等领域重要的战略材料，被用于生产高性能复杂薄壁等结构件，需求量逐年增长。因此，研究该材料的物理性能及铸态合金的界面特性也尤为重要，从机理上掌握该材料及界面对其性能的影响。尽管科技工作者在数值模拟的数学物理模型建立上取得了惊人的进展，但是源于对材料本质的本构关系认识还有相当的局限、现有检测手段和可利用计算资源的束缚，各计算模型还有许多不完善的地方。如应用最为成熟的温度场模拟在铸件/铸型之间界面热阻问题，合金材料的热物性参数等直接影响模拟结果的精确性。图2为凝固过程中铸件-铸型(模壳)界面接触和界面热阻的变化。随着研究的深入，材料高温状态下的热物性越来越为人们所关注，而实际生产工艺的复杂性又为这一问题增加了难度。具有世界先进水平的材料数值模拟软件在实际分析使用过程中也存在如上一些问题，因此必须建立适合企业需要的材料热物性参数数据库，同时，还需对工业软件处理铸件凝固收缩后铸件/铸型的界面换热系数进行针对实际现场工艺的测定，以获得精确的工艺仿真优化结果，图3为TP9000多路温度记录仪，用于支撑产品的成型优化和快速迭代。
 
       2.2 先进工艺集成

       成型工艺是指通过各种物理或化学方法，将原材料制成具有特定形状、尺寸和性能的零件或产品的过程。可见，成型工艺是产品获得的保障。成型工艺的创新可以打破常规，实现高效率、低成本制造，提高高端装备的竞争力，为绿色低碳制造提供解决方案，如增材制造与表面强化技术等。由于3D打印技术可以快速打印制造出多种金属、非金属制品，具有制造任意复杂形状的零件、降低生产成本、实现“自由制造”的优点而被多个领域应用，如将3D打印引入航空发动机空心涡轮叶片铸造成形领域，可降低结构复杂度的限制，实现型芯/型壳的无模化制备，为空心涡轮叶片快速制造提供新途径。将3D打印应用于某型柴油机缸盖铸造成形，可极大降低复杂内腔制芯的难度，将内芯/外模一次组合打印出来，实现无模化快速制造，可缩短该型缸盖制造周期50%以上，将型腔尺寸精度提高一个数量级，目前已成为将3D打印应用于智能铸造的典型范例。采用激光熔覆技术对服役后的大型轴类进行尺寸修复，修复轴的界面性能不但没有降低，还可以通过表面强化技术提高该轴的使用寿命，实现绿色再制造。
 
       2.3 低成本制造

       将先进材料与工艺构筑的数据库与数字孪生制造平台进行集成，在设计阶段即可将产品的材料、结构、性能及材料成型工艺清晰准确进行匹配优化，进行低成本设计，为低成本制造奠定基础。建议优先采用材料-结构一体化设计，将独立的多个零部件集成为一个零部件进行设计，选用先进的材料与工艺使产品实现轻量化，提高产品的质量和性能，并缩短制造周期。如我国航天高性能薄壁构建的材料-结构一体化设计研究成果，在航空航天领域已得到应用，图4为面向航空航天的材料-结构一体化设计。针对某卫星平台，在保证固有频率大于50Hz的前提下，进一步将卫星设备组件布局集成到一体化设计模型中，在满足结构性能的基础上，实现减重32%的设计目标。随着新材料、新工艺的出现与创新升级，使其在高端装备的应用占据重要地位。采用增材制造等先进工艺，可以提供精准垂直的个性化服务，实现一次设计、一次成型、产品一次制造成功，快速降低生产成本，加速产业链整合，提高行业竞争力。
 
3 结论

       通过大量材料试验探索、成型工艺优化及知识积累，建立数字化设计验证平台，支撑首件或小批量的研制。

       对先进材料及其界面开展深入研究，建立数字孪生制造平台，采集现场数据并建立数据库，集成先进工艺技术，实现低成本制造。

       先进材料与工艺的设计优化过程是基础性的工作，需要大量投入并持续创新，从源头上解决高端装备制造难题。当前需围绕高性能轻合金材料、非金属复合材料、表面工程、3D打印等技术领域，创新引领，突破材料工艺关键瓶颈技术，不断夯实新材料、新工艺、新装备等全链条专业技术基础，推动这些新技术的应用，不断促进节能降碳，尽快实现全产业链的转型升级。众所周知，高端装备以高新技术为引领，处于价值链的高端和产业链核心环节，其硬件门槛高，未来，谁能在先进材料与工艺技术创新上实现突破，谁就能率先占领这一领域的制高点。