華中科技大學張海鷗教（jiāo）授成功研發“智能微（wēi）鑄鍛銑複合製造技術”，並與法國空客公司舉行了技術合作簽約儀式，這是法中兩國在先進（jìn）製造領（lǐng）域的一項重要（yào）合（hé）作。這位年過（guò）60歲的老人和夫人王桂蘭一起，帶領團隊用14年的時間（jiān），破解（jiě）了困擾金屬3D(三維)打印的世（shì）界級技術難題，實現了我國首超西方的微型邊鑄邊（biān）鍛（duàn）的顛覆性原始創新。

 

不僅是空客，美國通用電氣公司不久前也主（zhǔ）動上門洽談合作。創新成果被航空業（yè）巨頭競相追逐，表明（míng）了我國在3D打印技術上已經由“跟跑（pǎo）”開（kāi）始進入（rù）“領跑”階段。

 

 

將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一，改變西方引領的製造模式

 

在華中科技大學，張海鷗、王桂蘭夫婦就（jiù）像一（yī）段傳奇。跟（gēn）電弧光打交道十餘年，他們被稱為“華科居裏夫婦”。其實，張海鷗的科研路頗為（wéi）曲折，剛（gāng）起步時，他埋頭於軋鋼研究。但“這項技術，日本已經研究得差不多了”，導師的話如當頭一棒，他懵了。考慮再三，他於1987年東（dōng）渡日本“取經”。

 

王桂蘭（lán）說（shuō），在日本工作之餘，她做得最多的就是（shì）收集資料，從課程配置到最前沿的技術，無所不有。“回國的時候，資料整整打包了31個大箱子。”

 

 

 

十幾年科研路，就（jiù）是不（bú）斷（duàn）試錯的過程。“唯有創（chuàng）新才有未來，跟在（zài）別人後（hòu）麵是不會有太大出路的。”1998年，張海鷗被引進到華中科技大學，致力（lì）於高效低成本無模快速製造技術研究，4年後開（kāi）始主攻金屬（shǔ）3D打印。

 

試錯之後迎來（lái）創新。2016年7月，張海鷗團隊創造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合（hé）二（èr）為一，成功製造出世界首批3D打印鍛（duàn）件，實現3D打印鍛態等軸（zhóu）細晶化、高均勻致密度、高強韌、形狀複雜的金屬鍛件，全麵提高了製（zhì）件強度、韌性（xìng）、疲勞壽命（mìng）及可靠性，降低設（shè）備投資和原材料（liào）成（chéng）本，大（dà）幅縮短製造流程與周期，全麵（miàn）解決常規3D打印成本高、工時（shí）長，打印不出經久耐用材質的世界性難題。

 

專家表示，這項技術改變了長期以來（lái）由西方引領的“鑄鍛銑分離”的傳統製造曆史，將（jiāng）開啟實驗室製造大型機械（xiè）的曆史。

 

 

攻克傳統技術難題，推（tuī）動金屬3D打印製（zhì）件進入高端應用

 

最近幾天，在華中科技大學數字製造裝備與技術國家重點實驗室的實驗基（jī）地，張海鷗團隊正（zhèng）在加緊製造一批應用於航空領域的（de）高端金屬鍛件。目前由“智能微（wēi）鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件，已達到2.2米長約260公斤。現有設（shè）備已打印飛機用鈦合金、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（jiàn）的增材製造技術裝備。

 

據介紹（shào），在傳統機械製造中，澆鑄後的金屬材（cái）料不能直接加（jiā）工成高性能零（líng）部件，必須通過鍛造改造其內部（bù）結（jié）構，解決成型問題。但是對超大鍛機的過（guò）度（dù）依賴，導致機械製作投資（zī）大、成本高且製作流程（chéng）長、能耗大、汙（wū）染和浪（làng）費嚴重的問題。正因如此，金（jīn）屬3D打印技術因能解決（jué）以上弊病而成為前（qián）沿（yán）性的先進製造技術。作為全球新一輪科技革命和產業革命（mìng）的重要推動力，目前已經在航（háng）空航天、醫療、汽車等領（lǐng）域開始（shǐ）獲得大（dà）規模（mó）應（yīng）用。

 

“常規金屬3D打印存在致命缺陷：一是沒有經過（guò）鍛造，金屬抗疲（pí）勞性嚴（yán）重不足；二是製件性能不（bú）高，難免存在疏鬆、氣孔（kǒng）和未熔合等缺陷；三是大都（dōu）采用激光、電子束（shù）為熱源（yuán），成本高昂。所以形成了中看不中用的尷尬局麵。”張海鷗介紹，正因如此（cǐ），全球金（jīn）屬3D打印行業一直處在“模型製造（zào）”和展示階段，無法進入高端應用（yòng）。

 

2016年（nián）7月（yuè），張海鷗團隊研發出微鑄鍛同（tóng）步複合設備，並打印出全球第一批鍛件：鐵路關鍵部件轍叉和航空（kōng）發動機重要部件過渡鍛。專家表示，這種新方法製件（jiàn）“強度和塑性等性能及均勻性（xìng）顯著高於自由增材成（chéng）形，並超過鍛件水平”，“將為航空航天高（gāo）性能（néng）關鍵部件的製造提供（gòng）我國獨（dú）創國（guó）際（jì）領先的高效率、短流程、低成本、綠色智能製造的前瞻（zhān）性技術支持。”

 

“常（cháng）規3D打印（yìn）金屬零件的（de）過程是打印算一層，鑄造算一層，鍛壓又一層，三（sān）者要分開依次進行，即前一（yī）個步驟完了，後一個步驟方可進行，中（zhōng）間還要騰出金屬冷卻的時間”。張海鷗介紹，智能微鑄鍛技術（shù）可以同時進行上述步驟，打印完成了，鑄鍛也就（jiù）同時完成了。

 

“我們將原先需要（yào）8萬噸力才能（néng）完成的動作（zuò），降低到八萬分之一，也就是不到1噸的力即可（kě）完成，同時一台設備完成了過去諸多大型（xíng）設備才能完成的工作，綠色又高（gāo）效。”他說。

 

從“跟跑”到“領跑”，為先（xiān）進製造業帶來深刻的技術變革

 

張海鷗介紹（shào），我國3D打印產業一直處於（yú）“跟跑”階段，與發達國家相比，我國3D打印產業大（dà）多停留在科研層（céng）麵。要擺脫“跟跑”的尷尬，必須創新（xīn）。在（zài）他的研（yán）究方向上，處處都體現了創新精（jīng）神。

 

“當時國內外的金屬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（wéi）熱源，發（fā）現效率很高。”張海鷗介紹，等離子和（hé）激光做熱源都是通過高（gāo）能束來熔化金屬粉末（mò），製造金屬模具，但兩者的發生裝置和加工方式（shì）不同，等離子具有成本低、成形率（lǜ）高等優點。

 

十（shí）幾年前，金屬3D打印做出的製件非常粗糙，經（jīng）過後期機械加工後（hòu）才能（néng）當做零件使用，而要打印複雜製件，則幾（jǐ）乎不可能實現。張海鷗帶領團隊反複實驗，在金屬3D打印中加入了銑削環節，邊打（dǎ）印邊進行機械加工，攻克了此項難題，獲（huò）得國家發明專利。

 

選擇（zé）鑄鍛合（hé）一的方向是更大（dà）的創新。“他首次跟我（wǒ）提出‘鑄鍛銑一體化’構想時，我認為是異想天開，兩人為此進行了激烈的爭吵。”王桂蘭說，很多時候，創新是在夫婦倆的爭吵中產生的。

 

反（fǎn）複實驗、不斷試錯之後，研究方向愈加清晰。2010年，大型飛機蒙皮（pí）熱壓成形模具的誕生，驗證了在金（jīn）屬3D打印中複（fù）合鍛打的可行性。

 

鑄鍛一體化3D打印技術（shù）發布後，國外（wài）航空工業（yè）巨頭紛紛上門洽談（tán）合作。據介紹，美國通用公（gōng）司不久前（qián）巨資收購了德國和瑞典兩家3D打印公司，但對於許多需要鍛（duàn）造性能的大中（zhōng）型承力構件仍無能為力，而張海鷗團隊的（de）研究成果可彌補這個缺陷。

 

北京工業大學教（jiāo）授陳繼民認為，張海鷗發明的技術在航空航天、核電、艦船、高鐵等重點支（zhī）柱領（lǐng）域的應用前景廣闊，比如對於長（zhǎng）壽命、高可靠性的航空發動機關鍵部件的製造有顯著優勢。

 

在我國研製的（de）新型戰鬥機上，一種新型複雜鈦合金接頭的製造也已經開始和張海鷗團隊（duì）合作，用該技術（shù）打印出來的鈦合金抗拉強度、屈服（fú）強度、塑性、衝擊韌性均（jun1）超過傳統鍛件。

 

目（mù）前，該技（jì）術正（zhèng）在（zài）西航動力公司、西安飛機製造公（gōng）司等（děng）新（xīn）產品開發中應用，已經試製了高溫合金雙扭葉輪、鋁矽合金熱壓泵體（tǐ）、發動機過（guò）渡段等零件，以及大型飛機蒙皮熱壓成形雙曲麵模（mó）具、轎車翼子板衝壓成形FGM模具等，應（yīng）用前景（jǐng）廣闊。

 

目前，根據（jù）空客公（gōng）司對飛（fēi）機零部件的需求，張海鷗團隊（duì）正在（zài）進行研發，“一旦繼續獲得（dé）認可，我們將（jiāng）贏得空（kōng）客的零部件生產的訂單，同時（shí）還可能獲得更多國際民用航空巨頭的青睞。”張海鷗說。

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