在傳統機械制造中，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(guò)鍛造改造其內部結構，解決成型問(wèn)題。但是對超大鍛機的過(guò)度依賴(lài)，導致機械制作投資大、成本高且制作流程長(cháng)、能耗大、污染和浪費嚴重的問(wèn)題。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、醫療、汽車(chē)等領(lǐng)域開(kāi)始獲得大規模應用。
但常規金屬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。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)入高端應用。
近日，華中科技大學(xué)張海鷗教授破解了困擾金屬3D（三維）打印的世界級技術(shù)難題，其研發(fā)的“智能微鑄鍛銑復合制造技術(shù)”實(shí)現了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng )新，并與法國空客公司舉行了技術(shù)合作簽約儀式。
張海鷗表示：“我們的技術(shù)將在先進(jìn)制造領(lǐng)域掀起新一輪的革命。”不僅是空客，美國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)巨頭競相追逐，表明了我國在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
2002年，張海鷗開(kāi)始主攻金屬3D打印，14年之后，2016年7月，張海鷗團隊創(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3D打印成本高、工時(shí)長(cháng)，打印不出經(jīng)久耐用材質(zhì)的世界性難題。
專(zhuān)家表示，這項技術(shù)改變了長(cháng)期以來(lái)由西方引領(lǐng)的“鑄鍛銑分離”的傳統制造歷史，將開(kāi)啟實(shí)驗室制造大型機械的歷史。
攻克傳統技術(shù)難題，推動(dòng)金屬3D打印制件進(jìn)入高端應用
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(cháng)約260公斤?，F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(shù)裝備。
常規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。
這種新方法制件強度和塑性等性能及均勻性顯著(zhù)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獨創(chuàng )國際領(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。
從“跟跑”到“領(lǐng)跑”，為先進(jìn)制造業(yè)帶來(lái)深刻的技術(shù)變革
張海鷗介紹，我國3D打印產(chǎn)業(yè)一直處于“跟跑”階段，與發(fā)達國家相比，我國3D打印產(chǎn)業(yè)大多停留在科研層面。要擺脫“跟跑”的尷尬，必須創(chuàng )新。
十幾年前，金屬3D打印做出的制件非常粗糙，經(jīng)過(guò)后期機械加工后才能當做零件使用，而要打印復雜制件，則幾乎不可能實(shí)現。張海鷗帶領(lǐng)團隊反復實(shí)驗，在金屬3D打印中加入了銑削環(huán)節，邊打印邊進(jìn)行機械加工，攻克了此項難題，獲得國家發(fā)明專(zhuān)利。
在我國研制的新型戰斗機上，一種新型復雜鈦合金接頭的制造已經(jīng)開(kāi)始和張海鷗團隊合作，用該技術(shù)打印出來(lái)的鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性均超過(guò)傳統鍛件。
目前，該技術(shù)正在西航動(dòng)力公司、西安飛機制造公司等新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中應用，已經(jīng)試制了高溫合金雙扭葉輪、鋁硅合金熱壓泵體、發(fā)動(dòng)機過(guò)渡段等零件，以及大型飛機蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車(chē)翼子板沖壓成形FGM模具等，應用前景廣闊。
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