張海鷗：高端鍛件微鑄鍛復(fù)合增材制造，重大裝備取得突破

2018年11月27-28日，2018增材制造全球創(chuàng)新大賽經(jīng)過激烈地比拼，36個(gè)入圍路演復(fù)評(píng)的項(xiàng)目中，15個(gè)具有創(chuàng)新性、市場發(fā)展前景的增材制造項(xiàng)目獲得了評(píng)審專家們的青睞，贏得了終評(píng)的入場券。

經(jīng)過嚴(yán)格的初評(píng)，36組項(xiàng)目入圍路演復(fù)評(píng)階段，其中31組來自國內(nèi)，5組項(xiàng)目來自海外。參賽團(tuán)隊(duì)代表在此次路演復(fù)評(píng)中均做了精彩的項(xiàng)目展示，這些項(xiàng)目針對(duì)各行業(yè)中遇到的問題，提供了或工藝，或新材料，或技術(shù)，或應(yīng)用軟件，或工程方案，或拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)等解決方案，為國內(nèi)3D打印的發(fā)展帶來了更多靈感與契機(jī)。此次路演復(fù)評(píng)為國內(nèi)外3D打印項(xiàng)目搭建了交流的平臺(tái)。一些參賽團(tuán)隊(duì)帶來了3D打印實(shí)物，讓評(píng)委和現(xiàn)場觀眾能近距離感受到3D打印的技術(shù)成果。
△武漢天昱智能。2017年6月，南極熊就到訪位于武漢的天昱智造公司（武漢天昱智能制造有限公司），并參觀了其3000㎡金屬3D打印廠房。廠房內(nèi)，屹立著兩臺(tái)高達(dá)十幾米的大型金屬3D打印機(jī)，還有激光熔覆設(shè)備等，相當(dāng)震撼。據(jù)了解，兩臺(tái)大型金屬3D打印機(jī)為全球首創(chuàng)“智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造”設(shè)備，由其制造出來的金屬零部件，性能質(zhì)量可達(dá)到鍛件水平，為12級(jí)超細(xì)晶粒，可以被稱為鍛造級(jí)的金屬3打印。


項(xiàng)目：高端鍛件微鑄鍛復(fù)合增材制造
人員：張海鷗
華中科技大學(xué)博士生導(dǎo)師
數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金屬3D打印學(xué)術(shù)帶頭人
中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟學(xué)術(shù)委員會(huì)委員
武漢天昱智能制造有限公司首席科學(xué)家。

張海鷗：高端鍛件微鑄鍛復(fù)合增材制造。

△張海鷗教授展示運(yùn)用3D技術(shù)打印出的金屬零部件 詹松 攝

一、發(fā)明背景。
大家知道古代寶劍、現(xiàn)代飛機(jī)框梁、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤均為鍛件，自古以來先鑄后鍛，形狀和質(zhì)量性能是分布的完成的，目前這項(xiàng)技術(shù)無法整體制造，復(fù)雜的高端鍛件，從我們國家重大需求和背景來看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大飛機(jī)、動(dòng)力平臺(tái)都是國家重大裝備重大需求，這種裝備要求高可靠性、輕量化，高端鍛件需要高強(qiáng)韌、高疲勞壽命，這樣鍛件年需求大于2000億元，目前90%以上依賴進(jìn)口，起落架訂貨周期長達(dá)3年，價(jià)格昂貴。

對(duì)于這樣一些高端鍛件采用傳統(tǒng)制造技術(shù)局限在于，首先流程和周期很長，因?yàn)樗�有很多的工序且分散。而且一直以來多種大型裝備，成品率不高，因?yàn)槌尚尾痪鶆蛐浴３晒β什桓撸�另外采用大型鍛壓機(jī)昂貴，另外能耗和材料損耗比較高，這種過程是重污染的。產(chǎn)品適應(yīng)性比較差，因?yàn)樗�的形狀是由鑄造品質(zhì)是由鍛造分別獲得，這種技術(shù)由于加工技術(shù)限制無法整體制造復(fù)雜形狀或者梯度材料的零件。

現(xiàn)在增材制造技術(shù)是一種短流程的制造技術(shù)，但是由于它在制造過程當(dāng)中沒有經(jīng)過熱鍛加工，組織多為各項(xiàng)異性缺陷，性能不高不均勻，難以避免，難以得到強(qiáng)韌性的鍛件。另外采用逐點(diǎn)堆積成形的效率不高，多采用粉末及大功率激光束、電子束導(dǎo)致成本巨高。

重大的難題是傳統(tǒng)技術(shù)無法短流程整體制造復(fù)雜鍛件，增材制造技術(shù)又難以制造高疲勞壽命鍛件，所以一個(gè)重大的挑戰(zhàn)就是能否發(fā)明高疲勞壽命高端鍛件短流程整體制造技術(shù)。

張海鷗是1998年從日本到華中科技大學(xué)，經(jīng)過近20年的努力奮斗，在這樣一個(gè)技術(shù)上經(jīng)過了20年的發(fā)明歷程。目前來看復(fù)合增材制造技術(shù)應(yīng)該是先進(jìn)制造技術(shù)，包括增材制造發(fā)展前沿。武漢天昱智能公司，在采用電弧、塑性加工、數(shù)控加工這方面做出了自己應(yīng)有的貢獻(xiàn)。其中也得到了國家大力支持，突破我國高端裝備自主創(chuàng)新能力弱的瓶頸。


二、主要發(fā)明點(diǎn)。
原理上進(jìn)行創(chuàng)新，基于非平衡加熱凝固與辦固態(tài)變形再結(jié)晶熱力學(xué)過程宏微觀機(jī)理研究，發(fā)明鑄鍛同步、融合銑削的超短流程，復(fù)雜形狀與高性能并行創(chuàng)制的新方法。

工藝變革，發(fā)明時(shí)空可控多能場復(fù)合作用鑄鍛調(diào)質(zhì)一體化，創(chuàng)新均勻鍛態(tài)等軸習(xí)晶大型整體復(fù)雜鍛件的新工藝。裝備發(fā)明，發(fā)明緊湊變報(bào)微鍛機(jī)構(gòu)、形貌缺陷原位檢測及修復(fù)系統(tǒng)集成新裝備，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鍛件高可靠性。

具體的發(fā)明點(diǎn)：

• 鑄鍛合一制造高端鍛件新方法。
• 電弧熔絲形成熔池，微鍛機(jī)構(gòu)對(duì)其剛凝固區(qū)趁熱連續(xù)鍛壓，鑄鍛合一獲均勻致密鍛態(tài)組織性能。
• 微鍛造銑符合無缺陷制造，原位檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷在線銑去，實(shí)現(xiàn)增材微鑄——等材微鍛——調(diào)質(zhì)處理同步，同工位融合減材銑削無缺陷制造。
  

首先進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，然后進(jìn)行路徑優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)新的智能路徑規(guī)劃。通過鑄鍛機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制成形，在過程當(dāng)中進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)缺陷修復(fù)，最后進(jìn)行微鑄鍛多軸協(xié)同形成加工，最后得到高端的零件。

通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合成形使自由成形可以減少破裂的傾向。

發(fā)明點(diǎn)二：高端鍛件的鑄鍛符合制造新工藝，邊鑄邊鍛，趁熱鍛造實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶從而獲得超細(xì)等軸晶，發(fā)明一系列材料微鑄鍛形成新工藝，這個(gè)圖可以看到最左邊是一種鑄鈦組織，中間是傳統(tǒng)鍛造等軸晶，最右邊得到均勻、細(xì)小12級(jí)超細(xì)等軸晶，這樣實(shí)現(xiàn)了高端鍛件組織性能。

奧貝鋼，右邊是微鑄鍛復(fù)合未處理的組織狀態(tài)，還沒有進(jìn)行熱處理它的塑性和韌性均優(yōu)于鍛件，沖擊韌性是單一待磨成形3倍以上。

高溫合金，微鑄鍛復(fù)合，控制扎制壓力和微鍛溫度，得到的組織。最左邊是單一的組織，中間是傳統(tǒng)鍛造組織，右邊是微鑄鍛混合組織。通過和鍛造的比較，在強(qiáng)度、塑性、伸長率、收縮率、沖擊韌性方面均遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鍛造。

鈦合金，晶粒粗大、等軸晶，通過微鑄鍛復(fù)合，強(qiáng)度以及塑性、韌性要大于高于傳統(tǒng)鍛造。

微鑄鍛銑合一超短流制造新裝備。發(fā)明靈巧微鍛機(jī)構(gòu)，同步作用于熔基，實(shí)現(xiàn)用不到噸小的壓力微鍛，與8萬噸的鍛壓效果相當(dāng)。其中進(jìn)行元位檢測與修復(fù)，發(fā)明超聲與渦流復(fù)合原位檢測裝置，發(fā)現(xiàn)后去除修復(fù)，來實(shí)現(xiàn)無缺陷。另外進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃，開發(fā)在線的動(dòng)態(tài)成形路徑規(guī)劃系統(tǒng)，保證少余量精確成形。這是低成本的要求。

通過以上裝置集成，研制出世界首臺(tái)微鑄鍛銑合一超短流程制造大型制造裝備，加工電高微鍛，實(shí)現(xiàn)了用一臺(tái)裝備超短流程直接制造高端鍛件創(chuàng)新創(chuàng)造發(fā)明。這是我們的裝備，右邊是全封閉實(shí)現(xiàn)鈦合金成形的裝備。

這是我們獲得的知識(shí)產(chǎn)權(quán)以及論文的研究。這是美國Wohlers增材制造國際權(quán)威報(bào)道2017年的報(bào)告，本團(tuán)隊(duì)發(fā)明了鑄鍛銑工藝。這是著名雜志明確指出，本團(tuán)隊(duì)微鑄鍛鍛軋?jiān)�位同步符�?fù)合制造技術(shù)是我們團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)，不同于英國Cranfield大學(xué)電弧增才冷軋分布進(jìn)行技術(shù)。

另外在鈦合金典型工藝所得斷裂韌度的對(duì)比，平均斷裂韌度優(yōu)于傳統(tǒng)國內(nèi)外常規(guī)增才工藝，優(yōu)于傳統(tǒng)鍛件。損傷容限，比傳統(tǒng)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是GE公司檢測報(bào)告，性能超過GE公司鍛件指標(biāo)，由于其他制造著名機(jī)構(gòu)樣件指標(biāo)。


發(fā)明經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢：鑄鍛同步，邊鑄邊鍛得到了12級(jí)超細(xì)等軸晶，超短流程，改變傳統(tǒng)模式，建立一臺(tái)設(shè)備制造高端鍛件新模式，另外高效低成本價(jià)格比較低，綠色節(jié)能，由于和傳統(tǒng)相比，傳統(tǒng)自由鍛和模鍛相好很大的能量帶來重污染，通過實(shí)測量節(jié)能在90%以上，實(shí)現(xiàn)了綠色指標(biāo)。這是應(yīng)用的情況。

應(yīng)用情況；實(shí)現(xiàn)了整體制造，這是中航發(fā)的零件，時(shí)間關(guān)系不細(xì)說了。

經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益；銷售收入在2023年達(dá)到2億1千萬元，利潤達(dá)到4965.8萬元，這是國內(nèi)外一些評(píng)價(jià)，另外獲得了日內(nèi)瓦中國發(fā)明金獎(jiǎng)，中國發(fā)明協(xié)會(huì)特別獎(jiǎng)。

總結(jié)：發(fā)明微鍛造合一融合銑削新方法，建立多場復(fù)合創(chuàng)型創(chuàng)質(zhì)并行制造理論，攻克一臺(tái)設(shè)備創(chuàng)制鍛態(tài)等軸細(xì)晶等關(guān)鍵技術(shù)難題，全球首創(chuàng)高端鍛件增材制造新工藝裝備。

成果創(chuàng)立高端零件超段流程制造中國模式，支撐我國高端裝備自主研發(fā)和跨越式趕超西方，帶動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，中國制造提升高端制造核心技術(shù)與裝備能力。

——點(diǎn)評(píng)——

主持人：感謝張海鷗教授精彩演講，請(qǐng)專家評(píng)審老師進(jìn)行點(diǎn)評(píng)。

沈真：張教授你這個(gè)成果我很感興趣，因?yàn)橹袊�飛機(jī)零件特別是單一鍛件，一直是航空航天領(lǐng)域很關(guān)注的事情，也是一個(gè)很重要的項(xiàng)目，我剛開始工作第一件事就是疲勞實(shí)驗(yàn)，那是一個(gè)大鍛件，你這個(gè)最大能做到多大。

張海鷗：設(shè)備的制造能力是吧？

沈真：對(duì)。

張海鷗：目前大概在4米，2米是半度，高度也是2米，這個(gè)方位都可以做。

沈真：因?yàn)榇箦懠�還有一個(gè)很重要的問題疲勞壽命的問題，剛才我看了，關(guān)于疲勞性怎么樣。

張海鷗：我們這項(xiàng)技術(shù)因?yàn)椴捎秒娀『偷入x子弧，冶金過程非常充分，在韌性、疲勞性能方面，相對(duì)于其他技術(shù)來講有更好的性能和優(yōu)勢，從我們檢測情況來講，在疲勞性能以及損傷容限方面確實(shí)不斷高于傳統(tǒng)技術(shù)也高于其他的技術(shù)，這是我們技術(shù)特點(diǎn)，在強(qiáng)度方面并不是特別突出，但是在塑性、韌性、疲勞性能方面有很大的優(yōu)勢。有數(shù)據(jù)。

陳志平：我對(duì)成本比較感興趣，跟傳統(tǒng)產(chǎn)品用你這個(gè)技術(shù)做出來，跟傳統(tǒng)鍛造成本節(jié)省大概給一個(gè)百分?jǐn)?shù)。

張海鷗：從剛才能耗來講大概節(jié)約70%以上，因?yàn)槲覀冞M(jìn)行了實(shí)測，傳統(tǒng)和中航工業(yè)起落架，因?yàn)槲覀儸F(xiàn)在有一個(gè)國防項(xiàng)目，就是采用這個(gè)技術(shù)做起落架，它的傳統(tǒng)技術(shù)和我們技術(shù)相比，我們能耗是它的不到10%，這是一個(gè)比較明顯的。另外從過程來講，3D打印同時(shí)進(jìn)行鍛造，3D打印完了以后，它這個(gè)過程就結(jié)束了，還不像世界上其他一些團(tuán)隊(duì)是分開的，大多數(shù)是分開的，我們也占有優(yōu)勢，另外我們的采用了電弧，熱源里面最便宜的。總的來講成本應(yīng)該是企業(yè)的秘密的，不會(huì)高于模鍛。

陳志平：因?yàn)閷?duì)傳統(tǒng)鍛造我們比較熟悉，三個(gè)維度，你這個(gè)就一個(gè)維度。

張海鷗：也可以三個(gè)維度，有像萬能軋機(jī)這樣一種裝置，機(jī)械手可以各個(gè)方向的，收益采用保證在成形過程當(dāng)中處于三向壓力的狀態(tài)，性能得到很大的提高。

陳志平：設(shè)備投入大概是什么量級(jí)？

張海鷗：這樣來說吧，美國（CT）公司做電子束，他們成形尺寸跟我們差不多，它號(hào)稱要500萬美元，我認(rèn)為我們功能遠(yuǎn)高于它，它就是電子束成形，包括了鍛造像這樣一些屬于鑄鍛型，上一次GE方面總裁問了這個(gè)事情，我說應(yīng)該不比它便宜，起碼對(duì)于國外來講。

陳志平：題目里面有一個(gè)商業(yè)適應(yīng)性。

張海鷗：在國內(nèi)來講，從性能和各方比較來講，我們性價(jià)比應(yīng)該是最好的。

張嘉振：在您的PPT里面提到了很多C919飛機(jī)上的需求，對(duì)于我們來說最關(guān)鍵是適航復(fù)合性，說白了就是穩(wěn)定性，穩(wěn)定性怎么樣有沒有評(píng)估？內(nèi)部和測試呢？

張海鷗：這個(gè)是很不容易的事情，這是要努力的方向，適航不是一次做成，同樣要10次甚至更高，這方面肯定要完成這個(gè)事情，目前正在進(jìn)行，但是從我們由于復(fù)合塑性加工以后，我認(rèn)為塑性加工是和3D打印復(fù)合最好的收單，因?yàn)樗�不斷提高性能，而且沒有造成材料的損失。由于有了塑性加工，我們現(xiàn)在還是比較穩(wěn)定的，但是這個(gè)數(shù)據(jù)還不夠，做到適航來講，還要大量的實(shí)驗(yàn)。一個(gè)航空產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)還是有一個(gè)過程。

張嘉振：另外我們比較關(guān)注的，你這套設(shè)備是比較大型的，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域?qū)嶋H上它是比較小而精的，確實(shí)比較適合用于飛機(jī)上，飛機(jī)上比較大的，一個(gè)比較顯著的問題，打印之后，因?yàn)閷儆诤附蛹夹g(shù)堆焊的改進(jìn)，表面的光潔度，底下打一個(gè)傳統(tǒng)形式，假如說鍛成什么樣，打成什么樣，是沒有問題的。但是如果引用了拓?fù)鋬?yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化以后對(duì)于表面光潔度怎么做還是比較難的問題，比較稀奇古怪的形狀，這項(xiàng)技術(shù)（基架）以后怎么考慮，有沒有配合，疲勞壽命對(duì)點(diǎn)的，如果（基架）不到的話，成熟率就下來了。

張海鷗：這是一個(gè)，今年在法蘭克福看到其他的國家產(chǎn)品，是魚鱗式的形狀，我強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，由于復(fù)合塑性加工，我覺得余量、表面質(zhì)量來講，我希望控制在1個(gè)毫米以內(nèi)這樣的精度，有了塑性加工以后完全可以做到可控，沒有塑性加工，雖然有模擬，但是和實(shí)際有一定的差距，形狀、表面質(zhì)量應(yīng)該有很大的提高，形狀精度目標(biāo)控制在1個(gè)毫米就是余量。

張嘉振：另外這項(xiàng)技術(shù)自己評(píng)估一下跟（挪威鈦），航天211比你們有哪些優(yōu)勢？

張海鷗：（克萊菲爾德）的技術(shù)跟我們幾乎是同時(shí)出現(xiàn)的，而我們有發(fā)明專利，（克萊菲爾德）是分開進(jìn)行的，一層全部打印完以后，然后再進(jìn)行一層碾壓，這樣它的時(shí)間是我的兩倍，因?yàn)槲沂峭瑫r(shí)進(jìn)行，3D打印完了以后就完了，另外我們是在熱成形中間趁熱打鐵，這樣可以得到非常細(xì)小的等軸。它的教授威廉姆斯今年也來過，他認(rèn)為我們這個(gè)方式在效率成本方面優(yōu)與他們，他們是冷軋技術(shù)比較穩(wěn)定，這個(gè)我們已經(jīng)攻克了，我們有很穩(wěn)定的鍛扎，成本上差不多，效率差不多。（挪威鈦）這個(gè)公司采用等離子，以前我們做過等離子，后來放棄了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)都采用粉末，粉末就貴了，現(xiàn)在確實(shí)這一點(diǎn)有點(diǎn)沒有跟上，它采用絲，這是它的特點(diǎn)，在成本上目前它的設(shè)備比較貴，因?yàn)樵�理差不多，后面成本差不多，但是有一點(diǎn)性能上絕對(duì)不會(huì)低于它，因?yàn)槲覀冇绣懺欤�但是有一點(diǎn)，就是由于它沒有復(fù)合塑性加工，所以它的余量和變形難以做到好精確的。我可以說控制在1個(gè)毫米左右，這個(gè)他們很難。

張嘉振：因?yàn)槟銈儗儆谝粋�(gè)焊接技術(shù)，我想你的優(yōu)勢，我自己的理解不一定對(duì)，你的核心元器件基本上可以國產(chǎn)化。

張海鷗：對(duì)。焊機(jī)國外稍微穩(wěn)定一點(diǎn)，這個(gè)不像激光那樣完全靠國外的，我們也可以采用國內(nèi)的，我們想并行。已經(jīng)和一家公司開始進(jìn)行等離子共同研發(fā)。

沈真：打出零件做出疲勞試驗(yàn)。
張海鷗：這個(gè)疲勞試驗(yàn)我們給GE他們來做的，在GE公司鍛件性能之上所有點(diǎn)都在它之上，而且大部分超過它的平均水平，同時(shí)對(duì)US都進(jìn)行了測試，這個(gè)沒有通過。

主持人：非常感謝張教授，您18年的成果真的很顯著的。