華科張海鷗教授破解世界性難題——3D打印飛機零件

　　“我們的技術(shù)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(fā)的“智能微鑄鍛銑復合制造技術(shù)”，與法國空客公司舉行了技術(shù)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(shù)難題，實現(xiàn)了我國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，美國通用電氣公司不久前也主動上門洽談合作。創(chuàng)新成果被航空業(yè)巨頭競相追逐，表明了我國在3D打印技術(shù)上已經(jīng)由“跟跑”開始進入“領跑”階段。

　　將金屬鑄造、鍛壓技術(shù)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(shù)，日本已經(jīng)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(jīng)”。

　　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(shù)，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(chuàng)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?？焖僦圃旒夹g(shù)研究，4年后開始主攻金屬3D打印。

　　試錯之后迎來創(chuàng)新。2016年7月，張海鷗團隊創(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，實現(xiàn)3D打印鍛態(tài)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(guī)3D打印成本高、工時長，打印不出經(jīng)久耐用材質(zhì)的世界性難題。

　　專家表示，這項技術(shù)改變了長期以來由西方引領的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史，將開啟實驗室制造大型機械的歷史。

　　攻克傳統(tǒng)技術(shù)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(shù)字制造裝備與技術(shù)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(xiàn)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(shù)裝備。

　　據(jù)介紹，在傳統(tǒng)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，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(shù)因能解決以上弊病而成為前沿性的先進制造技術(shù)。作為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動力，目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、汽車等領域開始獲得大規(guī)模應用。

　　“常規(guī)金屬3D打印存在致命缺陷：一是沒有經(jīng)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(yè)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(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(guān)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“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(guān)鍵部件的制造提供我國獨創(chuàng)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(shù)支持。”

　　“常規(guī)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(shù)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(yè)帶來深刻的技術(shù)變革

　　張海鷗介紹，我國3D打印產(chǎn)業(yè)一直處于“跟跑”階段，與發(fā)達國家相比，我國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。

　　“當時國內(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。”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(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。

　　十幾年前，金屬3D打印做出的制件非常粗糙，經(jīng)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(xiàn)。張海鷗帶領團隊反復實驗，在金屬3D打印中加入了銑削環(huán)節(jié)，邊打印邊進行機械加工，攻克了此項難題，獲得國家發(fā)明專利。

　　選擇鑄鍛合一的方向是更大的創(chuàng)新。“他首次跟我提出‘鑄鍛銑一體化’構(gòu)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(chuàng)新是在夫婦倆的爭吵中產(chǎn)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(shù)發(fā)布后，國外航空工業(yè)巨頭紛紛上門洽談合作。據(jù)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(gòu)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(yè)大學教授陳繼民認為，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(fā)動機關(guān)鍵部件的制造有顯著優(yōu)勢。

　　在我國研制的新型戰(zhàn)斗機上，一種新型復雜鈦合金接頭的制造也已經(jīng)開始和張海鷗團隊合作，用該技術(shù)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(tǒng)鍛件。

　　目前，該技術(shù)正在西航動力公司、西安飛機制造公司等新產(chǎn)品開發(fā)中應用，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(jù)空客公司對飛機零部件的需求，張海鷗團隊正在進行研發(fā)，“一旦繼續(xù)獲得認可，我們將贏得空客的零部件生產(chǎn)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。