華科張海鷗教授破解世界性難題——3D打印飛機(jī)零件

　　“我們的技術(shù)將在先進(jìn)制造領(lǐng)域掀起新一輪的革命。”日前，華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授張海鷗攜其研發(fā)的“智能微鑄鍛銑復(fù)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(jìn)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)重要合作。這位年過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)打印的世界級技術(shù)難題，實(shí)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(dòng)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(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(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)的過程。“唯有創(chuàng)新才有未來，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模快速制造技術(shù)研究，4年后開始主攻金屬3D打印。

　　試錯(cuò)之后迎來創(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，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)改變了長期以來由西方引領(lǐng)的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史，將開啟實(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米長約260公斤。現(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(jī)的過度依賴，導(dǎo)致機(jī)械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗大、污染和浪費(fèi)嚴(yán)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(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：一是沒有經(jīng)過鍛造，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。”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(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(dú)創(chuàng)國際領(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(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8萬噸力才能完成的動(dòng)作，降低到八萬分之一，也就是不到1噸的力即可完成，同時(shí)一臺(tái)設(shè)備完成了過去諸多大型設(shè)備才能完成的工作，綠色又高效。”他說。

　　從“跟跑”到“領(lǐng)跑”，為先進(jìn)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(dá)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(dāng)時(shí)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(diǎn)。

　　十幾年前，金屬3D打印做出的制件非常粗糙，經(jīng)過后期機(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(shí)，我認(rèn)為是異想天開，兩人為此進(jìn)行了激烈的爭吵。”王桂蘭說，很多時(shí)候，創(chuàng)新是在夫婦倆的爭吵中產(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(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，比如對于長壽命、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。

　　在我國研制的新型戰(zhàn)斗機(jī)上，一種新型復(fù)雜鈦合金接頭的制造也已經(jīng)開始和張海鷗團(tuán)隊(duì)合作，用該技術(shù)打印出來的鈦合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)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(dòng)力公司、西安飛機(jī)制造公司等新產(chǎn)品開發(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)還可能獲得更多國際民用航空巨頭的青睞。”張海鷗說。