华科张海鸥破解世界性难题研发3D打印飞机零件
- 来源：头条号/StevenLoveAlice
- 编辑：沐子飞
- 2017/2/20 9:21:58
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【中国智能制造网 技术前沿】“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。
华科张海鸥破解世界性难题 研发3D打印飞机零件
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，她做得多的就是收集资料，从课程配置到前沿的技术，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打印制件进入应用
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，金属3D打印行业一直处在“模型制造”和展示阶段，无法进入应用。
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的率、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。”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。
选择铸锻合一的方向是更大的创新。“他跟我提出‘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民用航空巨头的青睐。”张海鸥说。
原标题：华科张海鸥教授破解世界性难题——3D打印飞机零件
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