2016年7月22日，由華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院教授張海鷗主導(dǎo)研發(fā)的一項(xiàng)金屬3D打印技術(shù)“智能微鑄鍛”，在3D打印技術(shù)中加入了鍛打技術(shù)，成功制造出世界首批3D打印鍛件。該成果打破了3D打印行業(yè)存在的最大障礙，開(kāi)啟了人類(lèi)實(shí)驗(yàn)室制造大型機(jī)械的歷史，并將給全球機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)顛覆性創(chuàng)新。
中國(guó)教授突破3D打印制件硬度難題
3D打印技術(shù)現(xiàn)在受到國(guó)際制造業(yè)青睞，已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動(dòng)力。但由于打印缺乏鍛造這一程序，難免會(huì)有疏松、氣孔、未熔合等缺陷難以避免，抗疲勞等性能?chē)?yán)重不足，使全球3D打印行業(yè)一直處在“模型制造”和展示階段。
為解決這一世界性難題，華中科技大學(xué)數(shù)字裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授張海鷗團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年潛心攻關(guān)，獨(dú)立研制的微鑄鍛同步復(fù)合設(shè)備創(chuàng)造性地將已有千年歷史的人類(lèi)金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一，實(shí)現(xiàn)了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新，大幅提高了制件強(qiáng)度和韌性，提高了構(gòu)件的疲勞壽命和可靠性。不僅能打印薄壁金屬零件，而且大大降低了設(shè)備投資和原材料成本。
據(jù)張海鷗介紹，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。正在建設(shè)的微鑄鍛銑復(fù)合制造設(shè)備能制造5.5×4.2×1.5的金屬鍛件，表面粗糙度0.02毫米，達(dá)到普通機(jī)械加工水平�，F(xiàn)有設(shè)備已打印飛機(jī)用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等八種金屬材料。在零件尺寸方面也取得重大進(jìn)展，已打印出2200毫米尺寸鍛件，成功打印1800×1400×50毫米尺寸超大型零件。此前世界激光選擇性熔化3D打印金屬零件最大尺寸是德國(guó)一家公司的630毫米，均為一米以下的小型件。目前，此項(xiàng)我國(guó)自主獨(dú)創(chuàng)的國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)裝備，不僅可以打印出4倍于上述激光3D打印最大尺寸金屬零件，而且還可以打印和激光送粉成形和電子束送絲成形尺寸相當(dāng)?shù)牧慵�，也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。
新技術(shù)可打印飛機(jī)用鈦合金、海洋深潛器
據(jù)介紹，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(guò)鍛造改造其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，解決成型問(wèn)題。但是對(duì)超大鍛機(jī)的過(guò)度依賴(lài)，導(dǎo)致機(jī)械制作投資大、成本高且制作流程長(zhǎng)、能耗巨大、污染嚴(yán)重、浪費(fèi)嚴(yán)重并且難以制作梯度功能材料零件。作為后起之秀的常規(guī)金屬3D打印技術(shù)因?yàn)槟軌蚪鉀Q傳統(tǒng)制業(yè)的以上弊病而受到青睞，并且在航空航天、模具及汽車(chē)領(lǐng)域開(kāi)始獲得應(yīng)用。
“以往常規(guī)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(yán)重不足，二是制件性能不高，三是存在氣孔和未融合部分，四是大都采用激光、電子束為熱源，成本高昂。所以形成了中看不中用，應(yīng)用困難的局面�！睆埡ｚt介紹說(shuō)�，F(xiàn)在他的新技術(shù)完全攻破了這一難題。
經(jīng)過(guò)專(zhuān)家驗(yàn)證，儀證實(shí)由這種微鑄鍛生產(chǎn)的零部件，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能均穩(wěn)定超過(guò)傳統(tǒng)鑄件。同時(shí)，該技術(shù)以金屬絲材為原料，材料利用率達(dá)到80%以上，絲材料價(jià)格成本為目前普遍使用的激光撲粉粉材的1/10左右。在熱源方面，使用高效廉價(jià)的電弧為熱源，成本為目前普遍使用的大多需要進(jìn)口的激光器的1/10。而且由于這一技術(shù)能同時(shí)控制零件的形狀尺寸和組織性能，大大縮小了產(chǎn)品周期：制造一個(gè)兩噸重的大型金屬鑄件，過(guò)去需要三個(gè)月以上，現(xiàn)在僅需十天左右。
據(jù)了解，我國(guó)研制的新型戰(zhàn)斗機(jī)上，一種新型復(fù)雜鈦合金接頭已經(jīng)使用了該技術(shù)。由于部件復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方法無(wú)法整體制造，只能降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將零件拆分成多個(gè)部位制造后再連接，使該戰(zhàn)機(jī)先進(jìn)性能受到影響，使用壽命變短。目前，張海鷗團(tuán)隊(duì)的鑄鍛銑一體化整體3D打印技術(shù)與裝備，已開(kāi)始與該團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)攻關(guān)。用3D技術(shù)打印出來(lái)的TC4鈦合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性均超過(guò)傳統(tǒng)鍛件。
為此，包括原國(guó)家航空航天部部長(zhǎng)林宗棠在內(nèi)的多位專(zhuān)家建議，在《中國(guó)制造2025》重大專(zhuān)項(xiàng)中列入此項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)重點(diǎn)推動(dòng)該技術(shù)與裝備在航空航天、先進(jìn)兩機(jī)、核電、艦船、高鐵等重點(diǎn)支柱領(lǐng)域的應(yīng)用，讓這一技術(shù)首先提高我國(guó)的制造能力與國(guó)防實(shí)力，將技術(shù)優(yōu)勢(shì)變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)實(shí)力，成為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造領(lǐng)域“中國(guó)夢(mèng)”的國(guó)之重器、戰(zhàn)略推手。開(kāi)辟機(jī)械制造史上前所未有的綠色時(shí)代。
