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“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(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(mén)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(chēng)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(huà)如當(dāng)頭一棒，他懵了。考慮再三，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。“回國(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。“唯有創(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(zhuān)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(lài)，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(chē)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。”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(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(zhuān)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。”他說(shuō)。
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