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--熱烈祝賀我會聯(lián)辦的科普活動被中國科協(xié)評為--優(yōu)秀科普活動
12月21日，中國科學(xué)技術(shù)協(xié)會辦公廳印發(fā)《關(guān)于對2020年全國科普日有關(guān)組織單位和活動予以表揚(yáng)的通知》（科協(xié)辦函普字【2020】158號），江蘇省機(jī)械工程學(xué)會、南京工程學(xué)會和江蘇省學(xué)會服務(wù)中心聯(lián)辦的“2020年全國科普日暨第一屆‘天印筑夢·科普智行’”活動，被評為優(yōu)秀科普活動。
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世界首臺微鑄鍛銑裝備下線，中國高端數(shù)控機(jī)床解開世界難題
時間：2020/10/19 10:57:27 瀏覽次數(shù)：3308
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2020年10月17日消息，近日，張海鷗教授發(fā)明的金屬3D打印技術(shù)"智能微鑄鍛銑"，在3D打印中同步復(fù)合鍛打技術(shù)，成功應(yīng)用一臺設(shè)備，短流程輕載荷、綠色制造出鍛件，改變了國內(nèi)外鑄鍛焊銑分離、流程長、需大型鑄鍛削設(shè)備、耗資源重污染、復(fù)雜件無法整體制造的傳統(tǒng)制造模式；突破了3D打印無鍛造而難得鍛件的世界難題。
"中國張海鷗團(tuán)隊首創(chuàng)電弧熔積與原位熱軋（鑄鍛銑）同步制造技術(shù)，不同于國際同行團(tuán)隊的電弧熔積的分步制造技術(shù)。張海鷗團(tuán)隊利用鑄鍛銑工藝，獲等軸細(xì)晶，成功制造出性能超過鍛件的發(fā)動機(jī)零件。"國際權(quán)威3D打印雜志《烏勒斯報告》（《Wholers Report》）評價道
之前我的文章解析了我們數(shù)控機(jī)床發(fā)展的歷程，作為"工業(yè)母機(jī)"重要性不言而喻，目前我們產(chǎn)業(yè)迎來了新的起點(diǎn)，高端數(shù)控機(jī)床有了重大進(jìn)展，世界首臺智能鑄、鍛、銑一體化3D打印機(jī)臺成功進(jìn)入"高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備"科技重大專項進(jìn)入驗收階段。首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)鑄鍛同步工藝，意味著我們航空發(fā)動機(jī)等重大裝備的生產(chǎn)制造有了強(qiáng)有力的支持，而這項技術(shù)有哪些突破？攻關(guān)難在哪里？
該技術(shù)融合3D打印、半固態(tài)快鍛、柔性機(jī)器人3項重大技術(shù)，將金屬鑄造、鍛壓、銑技術(shù)合三為一，實(shí)現(xiàn)3D打印鍛態(tài)等軸細(xì)晶化、高均勻致密度、高強(qiáng)韌、形狀復(fù)雜的金屬鍛件，全面提高制件強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命及可靠性。
鑄鍛工藝以前都是先鑄出毛坯然后鍛壓成型，進(jìn)入大機(jī)械制造時代，傳統(tǒng)制造流程是鑄鍛、焊銑分開，這樣就需要多工序、多裝備，而且時間長，污染大?，F(xiàn)在常規(guī)的技術(shù)是金屬3D打印，由于金屬熔化得很快，溫度梯度就比較高，產(chǎn)生的氣孔很難以排出。溫度梯度高容易產(chǎn)生裂紋等缺陷?？偨Y(jié)出來：我們現(xiàn)在的制造模式對于制造金屬鍛件來說，依賴重型的裝備長，流程長，重污染，是一種非綠色的鑄造過程。
"常規(guī)金屬3D打印存在致命缺陷：一是沒有經(jīng)過鍛造，金屬抗疲勞性嚴(yán)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。"張海鷗介紹，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，無法進(jìn)入高端應(yīng)用。
金屬3D打印制造模式由于只有鑄沒有鍛，可以認(rèn)為它是一種價格比較高、效率比較低，但是優(yōu)質(zhì)的綠色制造。它的性能應(yīng)該介于鑄造和鍛造之間。微鑄鍛銑一體化3D打印就變成了一個超短流程制造鍛件的新方法，把上述長流程縮短為：采用金屬絲、采用裝備來直接得到鍛件，把多設(shè)備、多工序、長流程的傳統(tǒng)模式變成采用單一設(shè)備、工序合一、超短流程的制造模式。
另外，結(jié)合超細(xì)等軸晶單鍵微鑄鍛復(fù)合成形工藝，可以獲得比傳統(tǒng)鍛造更優(yōu)越的鍛造性能，從而攻克3D打印不能打印鍛件的這樣一個難題。
據(jù)悉，采用智能微鑄鍛銑復(fù)合增材制造技術(shù)，由原來的10%的成品率可以變成100%，通過X光檢測，性能合格。
高鐵關(guān)鍵部件輒叉需要比較好的帶沖擊的耐磨的性能，如果只采用3D打印，只不過改變了它的熱處理方式，仍然沒有改變它的組織特征。采用微鍛造后，強(qiáng)度和塑形有所降低，即使通過微鍛造合一還沒有進(jìn)行熱處理情況下，強(qiáng)度延伸都超過了單純3D打印，這說明微鍛造的復(fù)合是非常有效的技術(shù)。
新型飛機(jī)主承力接頭的零件，原來是分段式的機(jī)械鍛造、加工，然后機(jī)械鉚接起來。復(fù)雜的合金螺旋槳以及葉輪，采用我們該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在表面用規(guī)矩的模具鋼向內(nèi)部梯度過渡到鑄鋼，這樣在成形模具材料使用方面已經(jīng)有很大的優(yōu)勢。
該技術(shù)另一個優(yōu)勢是低成本，使用的熱源價格比較低，而且能量和材料利用率較高。一個零件長短的不同，各點(diǎn)的溫度是不一樣的，得到的各點(diǎn)性能也是不均勻的。使用該技術(shù)可以"乘熱打鐵"，在熔池與雜孔之間的距離是一定，成形的條件一定情況下，我們可以得到通體的各點(diǎn)力學(xué)性能一致器件。
克蘭菲爾德大學(xué)（Cranfield）將電弧熔熾與鍛軋集成至1臺三軸數(shù)控機(jī)上，嘗試成形零件，但這也將是一個挑戰(zhàn)。張海鷗團(tuán)隊已鑄造同步復(fù)合得到鍛件，贏得了挑戰(zhàn)。在美國召開的TCT成形大會上， 奧科寧克公司（ARCONIC）在最后一個階段用激光受粉得到一個鑄批，這樣一個過程中它的效率和成本相對于本項技術(shù)有比較大的提高，可惜的是成本也有比較大的提高。智能微鑄鍛增材制造是華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院張海鷗教授團(tuán)隊發(fā)明的，其傳奇的研發(fā)歷程您可以在西瓜視頻搜索獲取更多解析，這里就不再重復(fù)。
"在金屬微熔鑄的同時同一工位復(fù)合鍛造工藝，"鑄鍛復(fù)合，邊鑄邊鍛"可以獲得增材制造鍛態(tài)無織構(gòu)12級超細(xì)等軸晶、高強(qiáng)韌、高可靠性能的復(fù)雜形狀金屬鍛件，突破性地解決了傳統(tǒng)制造流程長、污染重、能耗高、材料利用率低、需要超大型鍛機(jī)的世界性難題，同時克服了常規(guī)金屬增材制造沒有經(jīng)過鍛造，容易出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，產(chǎn)生高致密性、各向同性、等軸細(xì)晶，強(qiáng)度、韌性較傳統(tǒng)制造更高，可以增強(qiáng)關(guān)鍵重要零部件的性能，改變了"鑄鍛分離"的傳統(tǒng)制造模式，較傳統(tǒng)制造方法可縮短制造流程60%以上，節(jié)能90%以上，成本降低60%以上，有望開啟綠色短流程制造金屬鍛件的新模式，為高端制造業(yè)顛覆性創(chuàng)新技術(shù)。"
該發(fā)明專利技術(shù)已經(jīng)試點(diǎn)應(yīng)用于航空、航天、海洋工程、核能、高端裝備等高性能核心復(fù)雜零部件制造。
"我們的技術(shù)將在先進(jìn)制造領(lǐng)域掀起新一輪的革命"，這位年過60歲張海鷗教授和夫人王桂蘭一起，帶領(lǐng)團(tuán)隊用14年的時間，破解了困擾金屬3D打印的世界級技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新。
不僅是空客，美國通用電氣公司不久前也主動上門洽談合作。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。
目前由"智能微鑄鍛"打印出的高性能金屬鍛件，已達(dá)到2．2米長約260公斤?，F(xiàn)有設(shè)備已打印飛機(jī)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。微鑄鍛銑復(fù)合增材制造專用設(shè)備TY2000AL-ZDX-03，打印尺寸為：X/Y/Z 2800*1500*900mm。
專家們表示，這項技術(shù)改變了長期以來由西方引領(lǐng)的"鑄鍛銑分離"的傳統(tǒng)制造歷史，將開啟實(shí)驗室制造大型機(jī)械的歷史。
該技術(shù)有以下幾個創(chuàng)新點(diǎn)：
1、施加微區(qū)逐步鍛造機(jī)械力使熔積自由成形的半凝固/剛凝固區(qū)產(chǎn)生粘塑性變形；
2、率先提出電弧微鑄軋復(fù)合直接成形高性能金屬零件的方法；
3、面向高端部件極端服役條件和增材制造成形性。
我國高端裝備的快速研發(fā)生產(chǎn)，急需大型高端零件整體制造技術(shù)。
"智能微鑄鍛銑"方法，以電弧增材與連續(xù)等材微鍛及熱處理同步復(fù)合并融合減材銑削新思想，獨(dú)創(chuàng)緊湊柔性機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了增-等-減材與調(diào)質(zhì)集成制造；提出磁-電-光-力多能場多尺度混態(tài)成形模擬方法，揭示超常態(tài)應(yīng)力變形和組織演變規(guī)律，建立形性并行設(shè)計-制造-測控集成智能系統(tǒng)，創(chuàng)立了中國領(lǐng)先世界的鑄鍛銑一體化超短流程綠色智能制造新模式與裝備。
攻克傳統(tǒng)技術(shù)難題，推動金屬3D打印制件進(jìn)入大國重器應(yīng)用
發(fā)明的增材與多向微區(qū)半固態(tài)等材鍛造同步復(fù)合并融合減材銑削的超短流程綠色智能制造新方法與裝備，成功突破3D打印不能打印鍛件而難以在大型高端鍛件中工程應(yīng)用的世界難題，將引領(lǐng)高端制造業(yè)向綠色智能化方向發(fā)展，助力傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。
北京工業(yè)大學(xué)教授陳繼民認(rèn)為，張海鷗發(fā)明的技術(shù)在航空航天、核電、艦船、高鐵等重點(diǎn)支柱領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，比如對于長壽命、高可靠性的航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵部件的制造有顯著優(yōu)勢。
在我國研制的新型飛機(jī)上，一種新型復(fù)雜鈦合金接頭的制造也已經(jīng)開始和張海鷗團(tuán)隊合作，用該技術(shù)打印出來的鈦合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性均超過傳統(tǒng)鍛件。
目前，該技術(shù)正在西航動力公司、西安飛機(jī)制造公司等新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)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)動機(jī)過渡段等零件，以及大型飛機(jī)蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車翼子板沖壓成形FGM模具等，應(yīng)用前景廣闊。
根據(jù)空客公司對飛機(jī)零部件的需求，張海鷗團(tuán)隊正在進(jìn)行研發(fā)，"一旦繼續(xù)獲得認(rèn)可，我們將贏得空客的零部件生產(chǎn)的訂單，同時還可能獲得更多國際民用航空巨頭的青睞。"張海鷗說。
該技術(shù)成功制造難焊接中碳鋼發(fā)動機(jī)過渡段并通過烏克蘭標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量檢測和實(shí)機(jī)考核；美國GE公司測試GH4169高溫合金疲勞性能超過鍛件；發(fā)明被Wohlers Report 2017報道，獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎、中國發(fā)明特別獎，以及中國和美國發(fā)明專利。
但是制造大國重器的設(shè)備必須在自己手中，今年8月，該項技術(shù)在商務(wù)部、科技部調(diào)整發(fā)布《中國禁止出口限制出口技術(shù)目錄》清單中明確約定鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術(shù)僅為我國制造業(yè)服務(wù)。
最后對這個技術(shù)進(jìn)行展望。3D鑄鍛銑合一制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，將改進(jìn)用一臺設(shè)備制造鍛件的綠色智能制造中國模式。第二把鑄件改成鍛件也可以輕量化。第三可望成為"中國制造2025"標(biāo)桿成果，形成新的技術(shù)產(chǎn)業(yè)和市場群，促進(jìn)傳統(tǒng)工業(yè)的轉(zhuǎn)型，是中國超越西方的一個戰(zhàn)略機(jī)遇。
總結(jié)
全球首創(chuàng)的"智能微鑄鍛"金屬3D打印技術(shù)是中國從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變的推進(jìn)器，或?qū)⑾破鹗澜绺叨搜b備制造業(yè)的革命。
相關(guān)發(fā)展不僅可使中國的大飛機(jī)、大船舶能夠?qū)崿F(xiàn)"中國打印"，其他國家的高端裝備也能刻上"中國打印"的烙印，中國方案、中國智慧將閃耀全球。但是有了高端裝備是想要制造完全自主化飛機(jī)零部件還是不夠，還有哪些方面我們已經(jīng)取得了突破？我們還需要再那些方面持續(xù)突破？讓我們拭目以待未來的發(fā)展。
