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张海鸥教授:让铸锻技术从千锤百炼到“一蹴而就”

发布人:3D打印商情

责任编辑:激光制造商情

来源:3D打印商情

2017-07-15 09:22

     今年5月24日,在深圳会展中心举行的第五届亚洲3D打印产业大会上,华中科技大学张海鸥教授作了题为《从3DP到3DM》的演讲。在演讲中,他对自己“智能微铸锻铣复合制造”金属3D打印技术的研究过程进行了回顾与总结。

    “智能微铸锻铣复合制造”是在3D打印过程中把金属铸造、锻压技术合二为一,实现了边铸边锻等轴细晶化,大幅提高了零件强度和韧性;在制造过程中还复合铣削,降低了加工难度;通过计算机直接控制铸锻铣路径,以高效低成本的电弧为热源,在这一台设备上铸锻铣合一制造出金属锻件。该技术实现了我国首超西方的“微型边铸边锻”的颠覆性原始创新。

    下苦功夫千锤百炼终成功

    铸、锻技术并不新鲜,在中国数千年前的冷兵器时代就已经存在了。我们的先贤们打磨一把宝剑,须经历先铸后锻的复杂过程。可以说每一把削铁如泥的宝剑都要经过无数遍的淬火、回炉、千锤百炼而成。也许古人并不懂得怎么解释个中原理,唯有下苦功夫反复锻打……

    古人常用“十年磨一剑”来说明铸剑的不易,那么,华中科技大学的张海鸥教授在研究该项技术的过程简直可以说是“十五年磨一剑”——2016年7月,在下了15年“苦功夫”之后,他带领团队终于成功破解了这一困扰金属3D打印的世界级技术难题,研发出了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。

    1998年,张海鸥教授放弃日本东京大学优越的条件回国任教。2000年开始从事3D打印的研究,一开始,他用等离子熔射技术制造金属模具和金属零件,成为这一研究领域的第一人。后来,为了降低成本、提高效率,又往电弧方面进行研究。他的研究始终与产业紧密结合,并没有把重点放在激光、电子束等高大上的技术上。他认为电弧技术成本更低、效率更高,在性能上可与传统技术一较高下。为此,他十数年来忍受着耀眼的电弧光的照射,眼睛经常处于充血状态,脸上的皮脱了一层又一层……

十数年中,他克服了包括其夫人王桂兰教授在内的无数质疑,在实验条件非常艰苦的情况下,坚持不懈,甚至专门买来行军床,吃睡均在实验室里。无数次无功而返的尝试、修改设计、检测可靠性……这反复实验、不断试错的过程像极了古人铸剑时的千锤百炼。

    功夫不负苦心人,2004年,他的团队成功在金属3D打印中复合了铣削,实现边打印边铣削加工,在高温零部件的制造中,将原先需要五道工序才能完成的加工集成了一道工序。一举获得国家发明专利。

    2009年,他开始构思如何让金属3D打印制件具备锻件性能。当时,很多同行断定3D打印不能打印锻件,他偏不信!2010年,大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生,验证了他在3D打印中复合锻打的可行性。其后,该技术不断完善,打印出飞机用钛合金、高温合金、海洋深潜器、核电用钢等高端金属锻件,其稳定性能均超过传统制件。

    2016年7月,成型范围为4M×2M×2M的微铸锻同步复合设备诞生,“传统工艺铸造、锻造、铣削是分别完成的,但在这台机器上实现了一体化。”顿时,世界沸腾了。人民网、新华网、科技日报等国家级媒体纷纷在重要位置予以报道。新华网的英文通稿更是引起境外媒体广泛关注并全文转载,成就了世界金属零件制造历史首次出现由中国制造领跑的时代。

    目前,“智能微铸锻铣复合制造”已经应用于西航动力公司、西安航空公司、和南方航空动力公司新产品的开发,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。与此同时,该技术在国际上也受到广泛关注,国外航空与动力业巨头美国通用和空客纷纷送上合同……

    从千锤百炼到“一蹴而就”好处多

    作为比较,张海鸥教授列举了传统机械制造以及常规的金属3D打印技术。他说,按照传统机械制造的流程,需要进行钢水熔化、铸锭、预锻、反复锻造、终锻、粗加工、拼焊、铣削精加工等复杂流程才能最终得到锻件。这一过程铸、锻、焊、铣分离,严重依赖重型装备,投资大、成本高,并且流程长,需多次热处理,材料去除量率高达95%,耗材耗能重污染,难以制造梯度功能材料,是非绿色的铸锻方法。

    而金属3D打印技术的出现虽然大受青睐,但张教授认为,“常规3D打印金属零件的过程仅仅是逐点逐线逐层用热源将金属粉或丝材熔化,然后凝固的铸造过程”,由于没有锻打过程,最终所得的金属制件抗疲劳性严重不足,而急冷凝固生成发达的柱状晶组织又存在明显各向异性,加上存在气孔和未熔合等问题,使得制件组织性能难以达到锻件水平。此外,金属3D打印技术大都采用激光、电子束为热源,是一种昂贵的、低效的绿色铸造方式。

    张教授介绍,智能微铸锻技术可以同时进行铸锻,打印完成了,铸锻也就同时完成了,简直是一种“一蹴而就”的制造技术。

    据介绍,微铸锻同步复合技术是在高效廉价的电弧热源(成本为激光的1/15~1/20)把金属熔化且还没冷却的情况下进行连续热锻,整个过程尽量避免了使用大型锻机以及反复高温热处理。张海鸥教授总结说,这项技术改变了千百年来铸锻分离的传统制造历史,实现“铸锻合一,边铸边锻”,突破3D打印不能打印锻件的瓶颈;只用一台设备、低成本的金属丝(价格为激光成形用粉的1/5~1/10)、不到巨型锻机数万分之1的力便可得到高锻锻件,是中国首创的短流程、轻载、节能、省材、少污染的3D铸锻模式;该技术同时也解决传统制造无法沿轨迹数字化铸锻的难题,实现铸锻铣一体数字化,创立中国领先的短流程绿色3D铸锻铣合一制造新模式。

    微铸锻同步复合设备制造出来的制件,无论是强度与韧性,还是抗疲劳寿命和可靠性都大大提高了。与张海鸥教授团队合作的美国GE公司对该团队提供的高温合金零件的疲劳性能进行测试,测试结果表明:所有试样的疲劳寿命都超过了GE锻件水平,而且大部分超过平均值,而其它金属3D打印技术未能达到。

    张海鸥教授表示,未来的研究方向仍将向着高性能、高效率、低成本这三个主要特点去开展,否则,技术将失去竞争力。目前已有一些相关的技术正在开发,希望进一步克服了现有技术的不足,进展顺利的话,五年内会还会有一些可与传统技术形成有效竞争的新技术面世……

华中科技大学教授张海鸥接受《激光制造商情》的专访。