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華中科技大學張海鷗教授破解3D打印世界性難題

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“我們的技術將在先進制造領域掀起新一輪的革命。”日前,華中科技大學機械科學與工程學院教授張海鷗攜其研發的“智能微鑄鍛銑復合制造技術”,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制造領域的一項重要合作。這位年過60歲的老人和夫人王桂蘭一起,帶領團隊用14年的時間,破解了困擾金屬3D(三維)打印的世界級技術難題,實現了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新。

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

將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,改變西方引領的制造模式

在華中科技大學,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,張海鷗的科研路頗為曲折,剛起步時,他埋頭于軋鋼研究。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,他于1987年東渡日本“取經”。

王桂蘭說,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,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,就是不斷試錯的過程。“唯有創新才有未來,跟在別人后面是不會有太大出路的。”1998年,張海鷗被引進到華中科技大學,致力于高效低成本無模快速制造技術研究,4年后開始主攻金屬3D打印。

試錯之后迎來創新。2016年7月,張海鷗團隊創造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,成功制造出世界首批3D打印鍛件,實現3D打印鍛態等軸細晶化、高均勻致密度、高強韌、形狀復雜的金屬鍛件,全面提高了制件強度、韌性、疲勞壽命及可靠性,降低設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3D打印成本高、工時長,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由西方引領的“鑄鍛銑分離”的傳統制造歷史,將開啟實驗室制造大型機械的歷史。

攻克傳統技術難題,推動金屬3D打印制件進入高端應用

最近幾天,在華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室的實驗基地,張海鷗團隊正在加緊制造一批應用于航空領域的高端金屬鍛件。目前由“智能微鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件,已達到2.2米長約260公斤。現有設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的增材制造技術裝備。

據介紹,在傳統機械制造中,澆鑄后的金屬材料不能直接加工成高性能零部件,必須通過鍛造改造其內部結構,解決成型問題。但是對超大鍛機的過度依賴,導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗大、污染和浪費嚴重的問題。正因如此,金屬3D打印技術因能解決以上弊病而成為前沿性的先進制造技術。作為全球新一輪科技革命和產業革命的重要推動力,目前已經在航空航天、醫療、汽車等領域開始獲得大規模應用。

“常規金屬3D打印存在致命缺陷:一是沒有經過鍛造,金屬抗疲勞性嚴重不足;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。”張海鷗介紹,正因如此,全球金屬3D打印行業一直處在“模型制造”和展示階段,無法進入高端應用。

2016年7月,張海鷗團隊研發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動機重要部件過渡鍛。專家表示,這種新方法制件“強度和塑性等性能及均勻性顯著高于自由增材成形,并超過鍛件水平”,“將為航空航天高性能關鍵部件的制造提供我國獨創國際領先的高效率、短流程、低成本、綠色智能制造的前瞻性技術支持。”

“常規3D打印金屬零件的過程是打印算一層,鑄造算一層,鍛壓又一層,三者要分開依次進行,即前一個步驟完了,后一個步驟方可進行,中間還要騰出金屬冷卻的時間”。張海鷗介紹,智能微鑄鍛技術可以同時進行上述步驟,打印完成了,鑄鍛也就同時完成了。

“我們將原先需要8萬噸力才能完成的動作,降低到八萬分之一,也就是不到1噸的力即可完成,同時一臺設備完成了過去諸多大型設備才能完成的工作,綠色又高效。”他說。

從“跟跑”到“領跑”,為先進制造業帶來深刻的技術變革

張海鷗介紹,我國3D打印產業一直處于“跟跑”階段,與發達國家相比,我國3D打印產業大多停留在科研層面。要擺脫“跟跑”的尷尬,必須創新。在他的研究方向上,處處都體現了創新精神。

“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熱源,發現效率很高。”張海鷗介紹,等離子和激光做熱源都是通過高能束來熔化金屬粉末,制造金屬模具,但兩者的發生裝置和加工方式不同,等離子具有成本低、成形率高等優點。

十幾年前,金屬3D打印做出的制件非常粗糙,經過后期機械加工后才能當做零件使用,而要打印復雜制件,則幾乎不可能實現。張海鷗帶領團隊反復實驗,在金屬3D打印中加入了銑削環節,邊打印邊進行機械加工,攻克了此項難題,獲得國家發明專利。

選擇鑄鍛合一的方向是更大的創新。“他首次跟我提出‘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。

反復實驗、不斷試錯之后,研究方向愈加清晰。2010年,大型飛機蒙皮熱壓成形模具的誕生,驗證了在金屬3D打印中復合鍛打的可行性。

鑄鍛一體化3D打印技術發布后,國外航空工業巨頭紛紛上門洽談合作。據介紹,美國通用公司不久前巨資收購了德國和瑞典兩家3D打印公司,但對于許多需要鍛造性能的大中型承力構件仍無能為力,而張海鷗團隊的研究成果可彌補這個缺陷。

北京工業大學教授陳繼民認為,張海鷗發明的技術在航空航天、核電、艦船、高鐵等重點支柱領域的應用前景廣闊,比如對于長壽命、高可靠性的航空發動機關鍵部件的制造有顯著優勢。

在我國研制的新型戰斗機上,一種新型復雜鈦合金接頭的制造也已經開始和張海鷗團隊合作,用該技術打印出來的鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性均超過傳統鍛件。

目前,該技術正在西航動力公司、西安飛機制造公司等新產品開發中應用,已經試制了高溫合金雙扭葉輪、鋁硅合金熱壓泵體、發動機過渡段等零件,以及大型飛機蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車翼子板沖壓成形FGM模具等,應用前景廣闊。

目前,根據空客公司對飛機零部件的需求,張海鷗團隊正在進行研發,“一旦繼續獲得認可,我們將贏得空客的零部件生產的訂單,同時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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責任編輯: 閆月

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