华中科技大学教授张海鸥破解世界性难题 3D打印飞机零件

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我们的技术将在先进制造领域掀起新一轮的革命。”日前，华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥携其研发的“智能微铸锻铣复合制造技术”，与法国空客公司举行了技术合作签约仪式，这是法中两国在先进制造领域的一项重要合作。这位年过60岁的老人和夫人王桂兰一起，带领团队用14年的时间，破解了困扰金属3D(三维)打印的世界级技术难题，实现了我国首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新。

不仅是空客，美国通用电气公司不久前也主动上门洽谈合作。创新成果被航空业巨头竞相追逐，表明了我国在3D打印技术上已经由“跟跑”开始进入“领跑”阶段。

将金属铸造、锻压技术合二为一，改变西方引领的制造模式
在华中科技大学，张海鸥、王桂兰夫妇就像一段传奇。跟电弧光打交道十余年，他们被称为“华科居里夫妇”。其实，张海鸥的科研路颇为曲折，刚起步时，他埋头于轧钢研究。但“这项技术，日本已经研究得差不多了”，导师的话如当头一棒，他懵了。考虑再三，他于1987年东渡日本“取经”。
王桂兰说，在日本工作之余，她做得最多的就是收集资料，从课程配置到最前沿的技术，无所不有。“回国的时候，资料整整打包了31个大箱子。”
十几年科研路，就是不断试错的过程。“唯有创新才有未来，跟在别人后面是不会有太大出路的。”1998年，张海鸥被引进到华中科技大学，致力于高效低成本无模快速制造技术研究，4年后开始主攻金属3D打印。
试错之后迎来创新。2016年7月，张海鸥团队创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一，成功制造出世界首批3D打印锻件，实现3D打印锻态等轴细晶化、高均匀致密度、高强韧、形状复杂的金属锻件，全面提高了制件强度、韧性、疲劳寿命及可靠性，降低设备投资和原材料成本，大幅缩短制造流程与周期，全面解决常规3D打印成本高、工时长，打印不出经久耐用材质的世界性难题。
专家表示，这项技术改变了长期以来由西方引领的“铸锻铣分离”的传统制造历史，将开启实验室制造大型机械的历史。

攻克传统技术难题，推动金属3D打印制件进入高端应用
最近几天，在华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室的实验基地，张海鸥团队正在加紧制造一批应用于航空领域的高端金属锻件。目前由“智能微铸锻”打印出的高性能金属锻件，已达到2.2米长约260公斤。现有设备已打印飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等8种金属材料，是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造技术装备。
据介绍，在传统机械制造中，浇铸后的金属材料不能直接加工成高性能零部件，必须通过锻造改造其内部结构，解决成型问题。但是对超大锻机的过度依赖，导致机械制作投资大、成本高且制作流程长、能耗大、污染和浪费严重的问题。正因如此，金属3D打印技术因能解决以上弊病而成为前沿性的先进制造技术。作为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力，目前已经在航空航天、医疗、汽车等领域开始获得大规模应用。
“常规金属3D打印存在致命缺陷：一是没有经过锻造，金属抗疲劳性严重不足;二是制件性能不高，难免存在疏松、气孔和未熔合等缺陷;三是大都采用激光、电子束为热源，成本高昂。所以形成了中看不中用的尴尬局面。”张海鸥介绍，正因如此，全球金属3D打印行业一直处在“模型制造”和展示阶段，无法进入高端应用。
2016年7月，张海鸥团队研发出微铸锻同步复合设备，并打印出全球第一批锻件：铁路关键部件辙叉和航空发动机重要部件过渡锻。专家表示，这种新方法制件“强度和塑性等性能及均匀性显著高于自由增材成形，并超过锻件水平”，“将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的前瞻性技术支持。”
“常规3D打印金属零件的过程是打印算一层，铸造算一层，锻压又一层，三者要分开依次进行，即前一个步骤完了，后一个步骤方可进行，中间还要腾出金属冷却的时间”。张海鸥介绍，智能微铸锻技术可以同时进行上述步骤，打印完成了，铸锻也就同时完成了。
“我们将原先需要8万吨力才能完成的动作，降低到八万分之一，也就是不到1吨的力即可完成，同时一台设备完成了过去诸多大型设备才能完成的工作，绿色又高效。”他说。

从“跟跑”到“领跑”，为先进制造业带来深刻的技术变革

张海鸥介绍，我国3D打印产业一直处于“跟跑”阶段，与发达国家相比，我国3D打印产业大多停留在科研层面。要摆脱“跟跑”的尴尬，必须创新。在他的研究方向上，处处都体现了创新精神。
“当时国内外的金属3D打印主要以激光、电子束为热源，我们想降低成本，就选择了等离子束为热源，发现效率很高。”张海鸥介绍，等离子和激光做热源都是通过高能束来熔化金属粉末，制造金属模具，但两者的发生装置和加工方式不同，等离子具有成本低、成形率高等优点。
十几年前，金属3D打印做出的制件非常粗糙，经过后期机械加工后才能当做零件使用，而要打印复杂制件，则几乎不可能实现。张海鸥带领团队反复实验，在金属3D打印中加入了铣削环节，边打印边进行机械加工，攻克了此项难题，获得国家发明专利。
选择铸锻合一的方向是更大的创新。“他首次跟我提出‘铸锻铣一体化’构想时，我认为是异想天开，两人为此进行了激烈的争吵。”王桂兰说，很多时候，创新是在夫妇俩的争吵中产生的。
反复实验、不断试错之后，研究方向愈加清晰。2010年，大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生，验证了在金属3D打印中复合锻打的可行性。
铸锻一体化3D打印技术发布后，国外航空工业巨头纷纷上门洽谈合作。据介绍，美国通用公司不久前巨资收购了德国和瑞典两家3D打印公司，但对于许多需要锻造性能的大中型承力构件仍无能为力，而张海鸥团队的研究成果可弥补这个缺陷。
北京工业大学教授陈继民认为，张海鸥发明的技术在航空航天、核电、舰船、高铁等重点支柱领域的应用前景广阔，比如对于长寿命、高可靠性的航空发动机关键部件的制造有显著优势。
在我国研制的新型战斗机上，一种新型复杂钛合金接头的制造也已经开始和张海鸥团队合作，用该技术打印出来的钛合金抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性均超过传统锻件。
目前，该技术正在西航动力公司、西安飞机制造公司等新产品开发中应用，已经试制了高温合金双扭叶轮、铝硅合金热压泵体、发动机过渡段等零件，以及大型飞机蒙皮热压成形双曲面模具、轿车翼子板冲压成形FGM模具等，应用前景广阔。
目前，根据空客公司对飞机零部件的需求，张海鸥团队正在进行研发，“一旦继续获得认可，我们将赢得空客的零部件生产的订单，同时还可能获得更多国际民用航空巨头的青睐。”张海鸥说。

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华中科技大学发布了“2017年度华中科技大学重大学术进展”，由张海鸥教授领衔的“高端锻件微铸锻铣复合超短流程增材制造技术与装备”项目是八项入选项目之一。
张海鸥教授发明的金属3D打印技术“智能微铸锻铣”，在3D打印中同步复合锻打技术，成功应用一台设备，短流程轻载荷绿色制造出锻件，改变了国内外铸锻焊铣分离、流程长、需大型铸锻削设备、耗资源重污染、复杂件无法整体制造的传统制造模式；突破了3D打印无锻造而难得锻件的世界难题。

创新点

（1）发明了高效低成本电弧微铸锻同步复合制造高端金属零件的方法，实现铸锻合一、边铸边锻3D打印出传统锻造无法得到的12级超细等轴晶复杂形状锻件，攻克了3D打印有铸无锻不能打印锻件的世界难题。该方法综合了增材成形与半固态连续铸锻两项重大先进制造技术的优势，实现高性能零件的形状尺寸与组织性能一体化创成即创形创质并行制造，是我国独创、国际领先的高端金属零件3D打印增材制造技术。

（2）实现了用一台“智能微铸锻铣”设备超短流程绿色智能制造锻件，突破了传统铸锻焊铣多工序分离制造模式依赖巨型锻机、流程很长、耗能耗材重污染、复杂零件无法整体制造的另一世界难题，变革了国内外传统制造模式，实现了铸锻铣合一制造全过程数字信息化，创立了超短流程绿色智能制造中国模式，引领传统制造业转型升级。

（3）以独创的紧凑柔性机器手和智能化技术，融合电弧高效低成本增材成形、半固态等材成形、铣削减材成形技术，将成形与随动局部控制形变热处理一体化；施加微区连续锻造力能使熔积自由成形的半凝固/刚凝固区产生黏塑性变形，既可减轻或消除拉应力、防止开裂与变形，又可改善组织，减小各向异性和组织性能的不均匀性，实现形性共控，为高端装备关键金属部件的优质高效低成本制造提供核心关键技术支撑，具有重大的理论意义和工程实用价值。

（4）提出采用LB-CA法与CIP-HM（Homogenization Method）连成的宏细观耦合跨尺度方法，模拟分析新工艺成形过程中电磁-热力-机械力耦合复合场作用下传质、传热、相变和变形过程，把握移动热源和刚-柔性约束的热力循环条件下的制件热应力变形和组织演变与控制规律，建立高端部件形与质主动并行控制的成形路径-熔积能量-塑性加工三位一体MBD智能制造系统。