在傳統(tǒng)機(jī)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，必須通過鍛造改造其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，解決成型問題。但是對(duì)超大鍛機(jī)的過度依賴，導(dǎo)致機(jī)械制作投資大、成本高且制作流程長(zhǎng)、能耗大、污染和浪費(fèi)嚴(yán)重的問題。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(yī)療、汽車等領(lǐng)域開始獲得大規(guī)模應(yīng)用。
但常規(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。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。
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(jí)技術(shù)難題，其研發(fā)的“智能微鑄鍛銑復(fù)合制造技術(shù)”實(shí)現(xiàn)了我國(guó)首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新，并與法國(guó)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(guó)通用電氣公司不久前也主動(dòng)上門洽談合作。創(chuàng)新成果被航空業(yè)巨頭競(jìng)相追逐，表明了我國(guó)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
2002年，張海鷗開始主攻金屬3D打印，14年之后，2016年7月，張海鷗團(tuán)隊(duì)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(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，全面提高了制件強(qiáng)度、韌性、疲勞壽命及可靠性，降低設(shè)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(guī)3D打印成本高、工時(shí)長(zhǎng)，打印不出經(jīng)久耐用材質(zhì)的世界性難題。
專家表示，這項(xiàng)技術(shù)改變了長(zhǎng)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(yàn)室制造大型機(jī)械的歷史。
攻克傳統(tǒng)技術(shù)難題，推動(dòng)金屬3D打印制件進(jìn)入高端應(yīng)用
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(zhǎng)約260公斤。現(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。
常規(guī)3D打印金屬零件的過程是打印算一層，鑄造算一層，鍛壓又一層，三者要分開依次進(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(qiáng)度和塑性等性能及均勻性顯著高于自由增材成形，并超過鍛件水平，將為航空航天高性能關(guān)鍵部件的制造提供我國(guó)獨(dú)創(chuàng)國(guó)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)帶來深刻的技術(shù)變革
張海鷗介紹，我國(guó)3D打印產(chǎn)業(yè)一直處于“跟跑”階段，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)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)過后期機(jī)械加工后才能當(dāng)做零件使用，而要打印復(fù)雜制件，則幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。張海鷗帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，在金屬3D打印中加入了銑削環(huán)節(jié)，邊打印邊進(jìn)行機(jī)械加工，攻克了此項(xiàng)難題，獲得國(guó)家發(fā)明專利。
在我國(guó)研制的新型戰(zhàn)斗機(jī)上，一種新型復(fù)雜鈦合金接頭的制造已經(jīng)開始和張海鷗團(tuán)隊(duì)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(dòng)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(dòng)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。
資料來源于科學(xué)網(wǎng)。
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