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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(fā)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(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打印技術上已經(jīng)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(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，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(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(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。
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