金屬3D打印“微鑄鍛”,以綠色制造實現(xiàn)“彎道超車”

來源：經濟日報

近日，國家科學技術獎勵工作辦公室公示了2020年度國家科學技術獎的受理項目名單，其中“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術與裝備”即金屬3D打印“微鑄鍛”技術提名2020年度國家技術發(fā)明獎一等獎。提名意見描述，“該重大原創(chuàng)性成果，有力支撐我國高端裝備自主創(chuàng)新，引領短流程制造技術革命和傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉型升級。”

由華中科技大學教授張海鷗首創(chuàng)、武漢天昱智能制造有限公司孵化，團隊創(chuàng)造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一，首創(chuàng)微鑄鍛增等材同步制造方法與理論，發(fā)明并研發(fā)了一批具有自主知識產權和核心競爭力的微鑄鍛同步制造系列技術與裝備，攻克了大型復雜高端鍛件無法高品質短流程制造的"卡脖子"難題。專家組認為，這項原創(chuàng)金屬3D打印技術能夠提名國家技術發(fā)明一等獎，充分說明，該技術在原創(chuàng)性、領先性、技術難度與成熟完備性的巨大優(yōu)勢，以及社會效益及發(fā)展前景的巨大潛力。

一個月前，為保證國防重大項目的如期完成，張海鷗團隊在武漢未“解封”時，毅然選擇逆行，在金屬3D打印“微鑄鍛”裝備的生產基地——天昱智造開啟復工復產工作。在天昱智造生產廠房里，弧光閃爍、機聲轟鳴。記者在現(xiàn)場看到，一個個復雜金屬零件結合獨特微鑄鍛銑工藝，邊打印邊加工，猶如一件件藝術品驚艷亮相于生產線上。“我們通過在線采集光、電、熱、力、聲等全方位信號數(shù)據(jù)，并自寫算法建模分析進行穩(wěn)定性監(jiān)測與缺陷判定，實現(xiàn)邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控，從而確保增材制造鍛件的高可靠性與穩(wěn)定性。”張海鷗團隊博士生王湘平介紹，“鑄鍛銑一體化的制造過程必須得做到極致的嚴謹，弧光跳動稍有異常甚至成形聲音不對都會對鑄鍛形性造成影響，絕不能有半點閃失！”

“傳統(tǒng)工藝鑄造、鍛造、銑削是分離進行的，但在這臺機器上實現(xiàn)了一體化。”張海鷗解釋說，如果把制作一個精密復雜零部件想成包餃子,那么就需要和面、搟皮、配餡等環(huán)節(jié),如果其中一個環(huán)節(jié)不到位,下鍋后可能就露餡,現(xiàn)在這些工序合在一起，皮餡結合緊致，就不會露餡。“露餡的餃子還能吃，但零件‘露餡’就會疏松，只能報廢。”

人們常說，好鋼要“千錘百煉”“鍛打成才”，這是因為只有反復鍛打，才能將鑄造金屬的強度、韌性、疲勞壽命大幅提高到鍛件水平。現(xiàn)代制造業(yè)即是通過先鑄造、再鍛造、后銑削來制造高端金屬零件，但這一方法存在流程長、反復加熱能耗巨大、重污染等缺點，并且無法制造出材料變化的多功能零件，比如航空發(fā)動機整體渦輪。

常規(guī)金屬3D打印技術同樣存在致命缺陷：一是沒經過鍛造，綜合力學性能不及鍛件，尤其是韌性和疲勞性能；二是冶金質量難以控制，易產生氣孔、未熔合等冶金缺陷；三是設備成本和制造成本較高，熱源多采用大功率激光或電子束，需整體密閉保護，成形空間有限，材料成本昂貴。

2015年，張海鷗團隊研發(fā)出微鑄鍛同步復合設備，并打印出全球第一批鍛件：鐵路關鍵部件轍叉和航空發(fā)動機重要部件過渡鍛。專家表示，這種新方法制件是“高效率、短流程、低成本的綠色智能制造。”

復工以來，3D打印“微鑄鍛”產業(yè)化團隊已拿到首個核電領域訂單，科研團隊也在加緊研發(fā)涉及航空航天、艦船等領域的新型高端零件，包括鋁合金艙段、不銹鋼泵推葉輪、超高強鋼吊掛盒段底梁，以及鈦合金吊掛外后接頭等。“盡管疫情讓我們按下了幾個月的暫停鍵，但我們的科研工作一刻也沒有停，現(xiàn)在全員復工后，我們加足馬力生產，年前積壓的訂單加上現(xiàn)在的新訂單，一年的產能可達到5000萬左右。”張海鷗說。

目前，該技術制造產品已應用于大型飛機、航空發(fā)動機、燃氣輪機、航天、船舶、先進軌道交通、核電等多個大國重器的裝備制造領域。（經濟日報記者 柳潔）

2020年4月16日 晚上8點，南極熊邀請了華中科技大學張海鷗教授，舉辦了“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術與裝備”線上研討會。

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