金屬3D打印“微鑄鍛”,以綠色制造實現(xiàn)“彎道超車”

來源：經(jīng)濟日報

近日，國家科學技術(shù)獎勵工作辦公室公示了2020年度國家科學技術(shù)獎的受理項目名單，其中“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術(shù)與裝備”即金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)提名2020年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。提名意見描述，“該重大原創(chuàng)性成果，有力支撐我國高端裝備自主創(chuàng)新，引領短流程制造技術(shù)革命和傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級。”

由華中科技大學教授張海鷗首創(chuàng)、武漢天昱智能制造有限公司孵化，團隊創(chuàng)造性地將金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一，首創(chuàng)微鑄鍛增等材同步制造方法與理論，發(fā)明并研發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)和核心競爭力的微鑄鍛同步制造系列技術(shù)與裝備，攻克了大型復雜高端鍛件無法高品質(zhì)短流程制造的"卡脖子"難題。專家組認為，這項原創(chuàng)金屬3D打印技術(shù)能夠提名國家技術(shù)發(fā)明一等獎，充分說明，該技術(shù)在原創(chuàng)性、領先性、技術(shù)難度與成熟完備性的巨大優(yōu)勢，以及社會效益及發(fā)展前景的巨大潛力。

一個月前，為保證國防重大項目的如期完成，張海鷗團隊在武漢未“解封”時，毅然選擇逆行，在金屬3D打印“微鑄鍛”裝備的生產(chǎn)基地——天昱智造開啟復工復產(chǎn)工作。在天昱智造生產(chǎn)廠房里，弧光閃爍、機聲轟鳴。記者在現(xiàn)場看到，一個個復雜金屬零件結(jié)合獨特微鑄鍛銑工藝，邊打印邊加工，猶如一件件藝術(shù)品驚艷亮相于生產(chǎn)線上?！拔覀兺ㄟ^在線采集光、電、熱、力、聲等全方位信號數(shù)據(jù)，并自寫算法建模分析進行穩(wěn)定性監(jiān)測與缺陷判定，實現(xiàn)邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控，從而確保增材制造鍛件的高可靠性與穩(wěn)定性。”張海鷗團隊博士生王湘平介紹，“鑄鍛銑一體化的制造過程必須得做到極致的嚴謹，弧光跳動稍有異常甚至成形聲音不對都會對鑄鍛形性造成影響，絕不能有半點閃失！”

“傳統(tǒng)工藝鑄造、鍛造、銑削是分離進行的，但在這臺機器上實現(xiàn)了一體化?！睆埡ｚt解釋說，如果把制作一個精密復雜零部件想成包餃子,那么就需要和面、搟皮、配餡等環(huán)節(jié),如果其中一個環(huán)節(jié)不到位,下鍋后可能就露餡,現(xiàn)在這些工序合在一起，皮餡結(jié)合緊致，就不會露餡?！奥娥W的餃子還能吃，但零件‘露餡’就會疏松，只能報廢?！?br />
人們常說，好鋼要“千錘百煉”“鍛打成才”，這是因為只有反復鍛打，才能將鑄造金屬的強度、韌性、疲勞壽命大幅提高到鍛件水平。現(xiàn)代制造業(yè)即是通過先鑄造、再鍛造、后銑削來制造高端金屬零件，但這一方法存在流程長、反復加熱能耗巨大、重污染等缺點，并且無法制造出材料變化的多功能零件，比如航空發(fā)動機整體渦輪。

常規(guī)金屬3D打印技術(shù)同樣存在致命缺陷：一是沒經(jīng)過鍛造，綜合力學性能不及鍛件，尤其是韌性和疲勞性能；二是冶金質(zhì)量難以控制，易產(chǎn)生氣孔、未熔合等冶金缺陷；三是設備成本和制造成本較高，熱源多采用大功率激光或電子束，需整體密閉保護，成形空間有限，材料成本昂貴。

2015年，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，這種新方法制件是“高效率、短流程、低成本的綠色智能制造?！?br />
復工以來，3D打印“微鑄鍛”產(chǎn)業(yè)化團隊已拿到首個核電領域訂單，科研團隊也在加緊研發(fā)涉及航空航天、艦船等領域的新型高端零件，包括鋁合金艙段、不銹鋼泵推葉輪、超高強鋼吊掛盒段底梁，以及鈦合金吊掛外后接頭等?！氨M管疫情讓我們按下了幾個月的暫停鍵，但我們的科研工作一刻也沒有停，現(xiàn)在全員復工后，我們加足馬力生產(chǎn)，年前積壓的訂單加上現(xiàn)在的新訂單，一年的產(chǎn)能可達到5000萬左右?！睆埡ｚt說。

目前，該技術(shù)制造產(chǎn)品已應用于大型飛機、航空發(fā)動機、燃氣輪機、航天、船舶、先進軌道交通、核電等多個大國重器的裝備制造領域。（經(jīng)濟日報記者 柳潔）

2020年4月16日 晚上8點，南極熊邀請了華中科技大學張海鷗教授，舉辦了“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術(shù)與裝備”線上研討會。

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