人民日?qǐng)?bào)：張海鷗教授“微鑄鍛”3D打印飛機(jī)零件,，全球領(lǐng)先

2017年1月22日,，近日,，人民日?qǐng)?bào)報(bào)道了華中科技大學(xué)張海鷗教授所研發(fā)的“智能微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)”，據(jù)南極熊了解,，此前張教授剛剛與法國(guó)空客公司舉行了技術(shù)合作簽約儀式,，這是法中兩國(guó)在先進(jìn)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重要合作。這位年過(guò)60歲的老人和夫人王桂蘭一起,，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)用14年的時(shí)間,，破解了困擾金屬3D（三維）打印的世界級(jí)技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新,。

不僅是空客,，美國(guó)通用電氣公司不久前也主動(dòng)上門洽談合作。創(chuàng)新成果被航空業(yè)巨頭競(jìng)相追逐,，表明了我國(guó)在3D打印技術(shù)上已經(jīng)由“跟跑”開(kāi)始進(jìn)入“領(lǐng)跑”階段,。

將金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一,，改變西方引領(lǐng)的制造模式

在華中科技大學(xué),，張海鷗、王桂蘭夫婦就像一段傳奇,。跟電弧光打交道十余年,，他們被稱為“華科居里夫婦”。其實(shí)，張海鷗的科研路頗為曲折,，剛起步時(shí),，他埋頭于軋鋼研究。但“這項(xiàng)技術(shù),，日本已經(jīng)研究得差不多了”,，導(dǎo)師的話如當(dāng)頭一棒，他懵了,�,？紤]再三，他于1987年?yáng)|渡日本“取經(jīng)”,。

王桂蘭說(shuō),，在日本工作之余，她做得最多的就是收集資料,，從課程配置到最前沿的技術(shù),，無(wú)所不有�,！盎貒�(guó)的時(shí)候,，資料整整打包了31個(gè)大箱子�,！�

十幾年科研路,，就是不斷試錯(cuò)的過(guò)程�,！拔ㄓ袆�(chuàng)新才有未來(lái),，跟在別人后面是不會(huì)有太大出路的�,！�1998年,，張海鷗被引進(jìn)到華中科技大學(xué)，致力于高效低成本無(wú)�,？焖僦圃旒夹g(shù)研究,，4年后開(kāi)始主攻金屬3D打印。

試錯(cuò)之后迎來(lái)創(chuàng)新,。2016年7月,，張海鷗團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一,，成功制造出世界首批3D打印鍛件,，實(shí)現(xiàn)3D打印鍛態(tài)等軸細(xì)晶化、高均勻致密度,、高強(qiáng)韌,、形狀復(fù)雜的金屬鍛件，全面提高了制件強(qiáng)度,、韌性,、疲勞壽命及可靠性，降低設(shè)備投資和原材料成本,，大幅縮短制造流程與周期,，全面解決常規(guī)3D打印成本高、工時(shí)長(zhǎng),，打印不出經(jīng)久耐用材質(zhì)的世界性難題,。

專家表示，這項(xiàng)技術(shù)改變了長(zhǎng)期以來(lái)由西方引領(lǐng)的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史,，將開(kāi)啟實(shí)驗(yàn)室制造大型機(jī)械的歷史,。

攻克傳統(tǒng)技術(shù)難題，推動(dòng)金屬3D打印制件進(jìn)入高端應(yīng)用

最近幾天,，在華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)基地,，張海鷗團(tuán)隊(duì)正在加緊制造一批應(yīng)用于航空領(lǐng)域的高端金屬鍛件。目前由“智能微鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件,，已達(dá)到2.2米長(zhǎng)約260公斤�,，F(xiàn)有設(shè)備已打印飛機(jī)用鈦合金、海洋深潛器,、核電用鋼等8種金屬材料,，是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材制造技術(shù)裝備。

據(jù)介紹,，在傳統(tǒng)機(jī)械制造中,，澆鑄后的金屬材料不能直接加工成高性能零部件，必須通過(guò)鍛造改造其內(nèi)部結(jié)構(gòu),，解決成型問(wèn)題,。但是對(duì)超大鍛機(jī)的過(guò)度依賴，導(dǎo)致機(jī)械制作投資大,、成本高且制作流程長(zhǎng),、能耗大、污染和浪費(fèi)嚴(yán)重的問(wèn)題,。正因如此,，金屬3D打印技術(shù)因能解決以上弊病而成為前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)。作為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動(dòng)力,，目前已經(jīng)在航空航天,、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域開(kāi)始獲得大規(guī)模應(yīng)用,。

“常規(guī)金屬3D打印存在致命缺陷：一是沒(méi)有經(jīng)過(guò)鍛造,，金屬抗疲勞性嚴(yán)重不足,；二是制件性能不高，難免存在疏松,、氣孔和未熔合等缺陷,；三是大都采用激光、電子束為熱源,，成本高昂,。所以形成了中看不中用的尷尬局面�,！睆埡ｚt介紹,，正因如此，全球金屬3D打印行業(yè)一直處在“模型制造”和展示階段,，無(wú)法進(jìn)入高端應(yīng)用,。

2016年7月，張海鷗團(tuán)隊(duì)研發(fā)出微鑄鍛同步復(fù)合設(shè)備,，并打印出全球第一批鍛件：鐵路關(guān)鍵部件轍叉和航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件過(guò)渡鍛,。專家表示，這種新方法制件“強(qiáng)度和塑性等性能及均勻性顯著高于自由增材成形,，并超過(guò)鍛件水平”,，“將為航空航天高性能關(guān)鍵部件的制造提供我國(guó)獨(dú)創(chuàng)國(guó)際領(lǐng)先的高效率、短流程,、低成本,、綠色智能制造的前瞻性技術(shù)支持�,！�

“常規(guī)3D打印金屬零件的過(guò)程是打印算一層,，鑄造算一層，鍛壓又一層,，三者要分開(kāi)依次進(jìn)行,，即前一個(gè)步驟完了，后一個(gè)步驟方可進(jìn)行,，中間還要騰出金屬冷卻的時(shí)間”,。張海鷗介紹，智能微鑄鍛技術(shù)可以同時(shí)進(jìn)行上述步驟,，打印完成了,，鑄鍛也就同時(shí)完成了。

“我們將原先需要8萬(wàn)噸力才能完成的動(dòng)作,，降低到八萬(wàn)分之一,，也就是不到1噸的力即可完成，同時(shí)一臺(tái)設(shè)備完成了過(guò)去諸多大型設(shè)備才能完成的工作,，綠色又高效,�,！彼�說(shuō)。

從“跟跑”到“領(lǐng)跑”,，為先進(jìn)制造業(yè)帶來(lái)深刻的技術(shù)變革

張海鷗介紹,，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)一直處于“跟跑”階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比,，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)大多停留在科研層面。要擺脫“跟跑”的尷尬,，必須創(chuàng)新,。在他的研究方向上，處處都體現(xiàn)了創(chuàng)新精神,。

“當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外的金屬3D打印主要以激光,、電子束為熱源，我們想降低成本,，就選擇了等離子束為熱源,，發(fā)現(xiàn)效率很高�,！睆埡ｚt介紹,，等離子和激光做熱源都是通過(guò)高能束來(lái)熔化金屬粉末，制造金屬模具,，但兩者的發(fā)生裝置和加工方式不同,，等離子具有成本低、成形率高等優(yōu)點(diǎn),。

十幾年前,，金屬3D打印做出的制件非常粗糙，經(jīng)過(guò)后期機(jī)械加工后才能當(dāng)做零件使用,，而要打印復(fù)雜制件,，則幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。張海鷗帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)反復(fù)實(shí)驗(yàn),，在金屬3D打印中加入了銑削環(huán)節(jié),，邊打印邊進(jìn)行機(jī)械加工，攻克了此項(xiàng)難題,，獲得國(guó)家發(fā)明專利,。

選擇鑄鍛合一的方向是更大的創(chuàng)新�,！八�首次跟我提出‘鑄鍛銑一體化’構(gòu)想時(shí),，我認(rèn)為是異想天開(kāi)，兩人為此進(jìn)行了激烈的爭(zhēng)吵,�,！蓖豕鹛m說(shuō),，很多時(shí)候，創(chuàng)新是在夫婦倆的爭(zhēng)吵中產(chǎn)生的,。

反復(fù)實(shí)驗(yàn),、不斷試錯(cuò)之后，研究方向愈加清晰,。2010年,，大型飛機(jī)蒙皮熱壓成形模具的誕生，驗(yàn)證了在金屬3D打印中復(fù)合鍛打的可行性,。

鑄鍛一體化3D打印技術(shù)發(fā)布后,，國(guó)外航空工業(yè)巨頭紛紛上門洽談合作。據(jù)介紹,，美國(guó)通用公司不久前巨資收購(gòu)了德國(guó)和瑞典兩家3D打印公司,，但對(duì)于許多需要鍛造性能的大中型承力構(gòu)件仍無(wú)能為力，而張海鷗團(tuán)隊(duì)的研究成果可彌補(bǔ)這個(gè)缺陷,。

北京工業(yè)大學(xué)教授陳繼民認(rèn)為,，張海鷗發(fā)明的技術(shù)在航空航天、核電,、艦船,、高鐵等重點(diǎn)支柱領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，比如對(duì)于長(zhǎng)壽命,、高可靠性的航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的制造有顯著優(yōu)勢(shì),。

在我國(guó)研制的新型戰(zhàn)斗機(jī)上，一種新型復(fù)雜鈦合金接頭的制造也已經(jīng)開(kāi)始和張海鷗團(tuán)隊(duì)合作,，用該技術(shù)打印出來(lái)的鈦合金抗拉強(qiáng)度,、屈服強(qiáng)度、塑性,、沖擊韌性均超過(guò)傳統(tǒng)鍛件,。

目前，該技術(shù)正在西航動(dòng)力公司,、西安飛機(jī)制造公司等新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應(yīng)用,，已經(jīng)試制了高溫合金雙扭葉輪、鋁硅合金熱壓泵體,、發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡段等零件,，以及大型飛機(jī)蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車翼子板沖壓成形FGM模具等,，應(yīng)用前景廣闊,。

目前，根據(jù)空客公司對(duì)飛機(jī)零部件的需求,，張海鷗團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行研發(fā),，“一旦繼續(xù)獲得認(rèn)可,，我們將贏得空客的零部件生產(chǎn)的訂單，同時(shí)還可能獲得更多國(guó)際民用航空巨頭的青睞,�,！睆埡ｚt說(shuō)。

來(lái)源:人民日?qǐng)?bào)

【擴(kuò)展閱讀】
華中科技大學(xué)金屬3D打印微鑄鍛同步,，飛機(jī)廠商通用電氣,、空客都來(lái)?yè)專?/a>