社科在线近年来，随着航空模锻件向大型整体精密化发展，大型锻模型腔表层严重变形、开裂、寿命短等问题日益突出，严重影响了我国航空大型模锻件生产时的一致性和安全性，是困扰业界多年的急需解决的难题。重庆庆大学周杰教授团队携“梯度异质结构长寿命锻模关键技术及应用”项目，以突破性的结构、材料设计与工艺、装备创新，为这一传统领域注入了革命性的科技动能。该项目获得了2025年重庆市科技进步一等奖和2022年机械工业科技进步一等奖，构建起从基础理论到产业化应用的完整技术体系，标志着我国在高端装备关键部件领域迈出了自主创新的坚实步伐。
一、锻模技术的革命性突破
在制造业转型升级的关键时期，锻模技术作为高端装备制造的核心环节，其性能直接关系到产品质量与生产效率。重庆大学周杰教授团队深耕领域多年，成功研发出具有自主知识产权的梯度异质结构长寿命锻模技术，为我国制造业高质量发展注入了新的动能。这一突破性成果不仅解决了传统锻模在使用过程中易出现的塑性变形、磨损开裂等行业共性难题，更在材料设计与结构创新方面实现了重要跨越。
该项目的核心突破包括系列复合结构模具形式、梯度异质强韧化材料、“增材-锻造”复合工艺控形控性技术及大型数控龙门式增材制造模具的成套装备。项目成果为梯度异质结构模具的设计-制造-服役-再制造提供了全新范式，具有重大科学意义。从工程应用视角，该项目彻底改变了我国高端模具依赖进口、寿命（极）低的“卡脖子”局面，团队为西南铝业、中国二重、中航重机、大江杰信等企业定制的锻模，寿命提升200%以上，部分航空大型模具的寿命提高数十倍。
当前，项目团队正持续深化基础研究与应用推广，在模具再制造、智能寿命预警等方向拓展技术边界，推动我国模具产业从“规模扩张”向“质量效益”转型，为制造业转型升级提供了坚实技术保障，彰显了重大的科学价值与广阔的工程应用前景。
业内专家指出（JK鉴字[2022]第2087号）：这项技术属于原创性技术成果，创新性强，完全自主可控，经济和社会效益显著，总体技术水平达到国际领先。其创新性不仅体现在材料科学的突破，更在于实现了从实验室研究到产业化应用的无缝衔接。随着智能制造的深入推进，梯度异质结构技术有望与数字化设计、在线监测等技术深度融合，进一步拓展其在精密成形、增材制造等领域的应用前景。
二、项目的技术创新点
周杰教授团队创新提出了“功能适配性梯度设计”理论。该理论的核心在于根据锻模在使用过程中各部位的实际受力状态和失效机制，针对性设计出从表层到心部的性能梯度分布，使得模具在承受循环载荷时，应力得以平滑传递，避免了传统模具因性能突变而导致的界面剥离问题。项目主要技术创新点如下：
1、首次提出并建立基于服役温度场、应力场及失效机理的锻模梯度异质结构设计方法及理论，发明基于低成本基体电弧增材的双金属、夹心层、网构化等梯度异质结构形式，解决了锻模服役长寿命与制造低成本的矛盾。核心发明专利：Hot-forging die with conformal meshy structured cavity surface layer and preparation method thereof（US 11465195 B2）、一种夹心层锻模及锻模夹心层堆焊的制备方法（ZL201510171656.4）、一种基于铸钢基体的双金属层堆焊制备锻模的方法（ZL200910104604.X）等。
2、研制出20余种满足不同类型锻模需求的基体及梯度功能强韧化匹配材料，建立了材料匹配准则，揭示了梯度异质材料的增材结合机理与强韧化机制，实现了材料-结构-性能协同。核心发明专利：用于双层堆焊制备锻模工艺的铸钢基体及其制备方法（ZL201110179277.1）、一种用于大型热锻模具夹心层的自保护药芯丝材及其制备方法（ZL201710408647.1）、一种用于大型热锻模具表面强化的自保护药芯丝材及其制备方法（ZL201710409748.0）等
3、首次提出并建立基于“增-锻复合”的电弧增材控形控性一体化技术，建立软硬件协同控制系统，实现以残余应力消减和熔道形貌为控制目标的增-锻工艺路径及参数全局协调，解决了增材开裂和形貌难控问题。核心发明专利：积材平整度与残余应力协调优化自反馈控制方法与系统（ZL202010043884.4）、基于锤击介入温度的残余应力锤击消除控制方法与系统（ZL202010566178.8）、基于电弧熔丝的强化增材工艺与模具强化方法（ZL202011315049.8）等。
4、建立基于“增-锻复合”的国际上最大规格数控龙门式电弧增材智能装备系统，包括智能保温、路径规划、数控锻击等子系统，实现高质高效增材。核心发明专利：一种模具3D堆焊智能机器人（ZL201710259085.9）、模具电弧增材制造加热保温系统及方法（ZL201910069912.7）等。
三、项目的产业化应用
通过与国家头部企业合作，项目关键技术及装备已在国家标志性工程及支柱产业中实现工程应用，大幅提高模具寿命，降低模具制造成本，推动我国国防、航天、航空、汽车、能源等领域的可持续发展。项目在中国第二重型机械集团德阳万航模锻有限责任公司、西南铝业（集团）有限责任公司、重庆大江杰信锻造有限公司等领军企业率先取得工程应用，实现了：
1） 中小型钢质锻件用热锻模寿命普遍提升 200%以上，大型航空用锻模寿命普遍提高 2 倍，部分提高 50 倍以上；
2） 实现了锻模成本显著降低，缩短制造周期 50%以上，成本降低 50%以上。
项目自 2011 年开始推广应用至今，获得了显著的经济效益和社会效益，近三年应用成效：
1）2022-2024 三年新增销售收入100余亿元，实现利润9亿余元，实现税收 3亿余元，实现技术交易 700余万元；
2）成果有力支撑了国家标志性工程及支柱产业的发展，促进了行业科技进步，实现了企业提质增效、绿色低碳发展新方式，增强了企业国际竞争力与话语权。
四、未来展望与行业影响
展望未来，梯度异质结构长寿命锻模技术将持续为制造业高质量发展注入强劲动力。随着新材料技术与人工智能、数字孪生等前沿科技的深度融合，该项技术有望实现从“经验设计”到“预测设计”的跨越，研发人员能够更精准地预测梯度结构在复杂工况下的服役行为，从而设计出性能更优越、寿命更持久的下一代锻模产品。这不仅将大幅缩短研发周期，更将推动模具制造向个性化定制、快速响应市场需求的模式转变。
在绿色制造与可持续发展方面，该技术蕴含巨大潜力。梯度异质结构锻模显著延长使用寿命的特性，直接减少了模具材料的消耗与废弃物的产生，契合循环经济理念。同时，其带来的生产效率提升与能源消耗降低，将为制造业整体碳减排目标作出积极贡献。特别是在新能源汽车、核电装备等绿色产业领域，该项技术的推广应用有望显著降低关键零部件制造过程中的环境足迹，助力国家“双碳”战略实施。
面对全球制造业智能化、绿色化转型浪潮，梯度异质结构长寿命锻模技术恰逢其时。它不仅代表着当前锻模技术的最高水平，更开辟了通过结构设计创新提升模具性能的全新路径。这项技术的持续演进与广泛应用，必将为中国从“制造大国”迈向“制造强国”提供重要的技术支撑，并在全球高端装备制造领域彰显中国创新的智慧与力量。
重庆大学 材料科学与工程学院 博士、教授、博导
第二批国家“万人计划”领军人才
科技部创新人才推进计划
重庆英才计划
先进模具智能制造重庆市重点实验室_主任
机械工业长寿命模具增材制造技术重点实验室_主任
中国机械工程学会塑性工程（锻压）分会_副主任
中国锻压协会 “头脑风暴”_首席专家，理事会_顾问
中国模具工业协会锻模专业委员会_副主任
重庆市模具工业协会_会长及专家委员会_主任
主要研究方向：
1、先进塑性成形（锻造）工艺及模具技术；
2、先进板料成形（冲压）工艺及模具技术；
3、长寿命模具增材制造工艺及装备技术；
4、大型航空航天关键构件极限成形工艺。
获奖情况：
1、中国机械工业科技进步特等奖1项；
2、中国机械工业科技进步一等奖1项；
3、国防科学技术一等奖1项；
4、重庆市科技进步一等奖2项；
5、贵州省科技进步二等奖一项；
6、重庆市科技进步三等奖4项、国防科学技术三等奖1项、四川省科技进步三等奖2项。
