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華科張海鷗教授破解世界性難題——3D打印飛機零件

更新時間:2017-02-21      瀏覽次數(shù):1485

“我們的技術將在先進制造領域掀起新一輪的革命。”日前,華中科技大學機械科學與工程學院教授張海鷗攜其研發(fā)的“智能微鑄鍛銑復合制造技術”,與法國空客公司舉行了技術合作簽約儀式,這是法中兩國在先進制造領域的一項重要合作。大電流發(fā)生器這位年過60歲的老人和夫人王桂蘭一起,帶領團隊用14年的時間,破解了困擾金屬3D(三維)打印的世*級技術難題,實現(xiàn)了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛*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)*競相追逐,表明了我國在3D打印技術上已經(jīng)由“跟跑”開始進入“*”階段。

  將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,改變西方的制造模式

  在華中科技大學,張海鷗、王桂蘭夫婦就像一段傳奇。跟電弧光打交道十余年,他們被稱為“華科居里夫婦”。其實,張海鷗的科研路頗為曲折,剛起步時,他埋頭于軋鋼研究。但“這項技術,日本已經(jīng)研究得差不多了”,導師的話如當頭一棒,他懵了。考慮再三,他于1987年東渡日本“取經(jīng)”。

  王桂蘭說,在日本工作之余,她做得zui多的就是收集資料,從課程配置到zui前沿的技術,無所不有。“回國的時候,資料整整打包了31個大箱子。”

  十幾年科研路,就是不斷試錯的過程。“唯有創(chuàng)新才有未來,跟在別人后面是不會有太大出路的。”1998年,張海鷗被引進到華中科技大學,致力于低成本無??焖僦圃旒夹g研究,4年后開始主攻金屬3D打印。

  試錯之后迎來創(chuàng)新。2016年7月,張海鷗團隊創(chuàng)造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,成功制造出世界*3D打印鍛件,實現(xiàn)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(guī)3D打印成本高、工時長,打印不出經(jīng)久耐用材質(zhì)的世界性難題。

  專家表示,這項技術改變了長期以來由西方的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史,將開啟實驗室制造大型機械的歷史。

  攻克傳統(tǒng)技術難題,推動金屬3D打印制件進入應用

  zui近幾天,在華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室的實驗基地,張海鷗團隊正在加緊制造一批應用于航空領域的金屬鍛件。目前由“智能微鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件,已達到2.2米長約260公斤?,F(xiàn)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*可以打印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材制造技術裝備。

  據(jù)介紹,在傳統(tǒng)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,必須通過鍛造改造其內(nèi)部結構,解決成型問題。但是對超大鍛機的過度依賴,導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗大、污染和浪費嚴重的問題。正因如此,金屬3D打印技術因能解決以上弊病而成為前沿性的先進制造技術。作為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動力,目前已經(jīng)在航空航天、醫(yī)療、汽車等領域開始獲得大規(guī)模應用。

  “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;大電流發(fā)生器三是大都采用激光、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,金屬3D打印行業(yè)一直處在“模型制造”和展示階段,無法進入應用。

  2016年7月,張海鷗團隊研發(fā)出微鑄鍛同步復合設備,并打印出*批鍛件:鐵路關鍵部件轍叉和航空發(fā)動機重要部件過渡鍛。專家表示,這種新方法制件“強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鍵部件的制造提供我國領*的率、短流程、低成本、綠色智能制造的前瞻性。”

  “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,三者要分開依次進行,即前一個步驟完了,后一個步驟方可進行,中間還要騰出金屬冷卻的時間”。張海鷗介紹,智能微鑄鍛技術可以同時進行上述步驟,打印完成了,鑄鍛也就同時完成了。

  “我們將原先需要8萬噸力才能完成的動作,降低到八萬分之一,也就是不到1噸的力即可完成,同時一臺設備完成了過去諸多大型設備才能完成的工作,綠色又。”他說。

  從“跟跑”到“*”,為先進制造業(yè)帶來深刻的技術變革

  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。在他的研究方向上,處處都體現(xiàn)了創(chuàng)新精神。

  “當時國內(nèi)外的金屬3D打印主要以激光、電子束為熱源,我們想降低成本,就選擇了等離子束為熱源,發(fā)現(xiàn)效率很高。”張海鷗介紹,等離子和激光做熱源都是通過高能束來熔化金屬粉末,制造金屬模具,但兩者的發(fā)生裝置和加工方式不同,等離子具有成本低、成形率高等優(yōu)點。

  十幾年前,金屬3D打印做出的制件非常粗糙,經(jīng)過后期機械加工后才能當做零件使用,而要打印復雜制件,則幾乎不可能實現(xiàn)。張海鷗帶領團隊反復實驗,在金屬3D打印中加入了銑削環(huán)節(jié),邊打印邊進行機械加工,攻克了此項難題,獲得國家發(fā)明。

  選擇鑄鍛合一的方向是更大的創(chuàng)新。“他跟我提出‘鑄鍛銑一體化’構想時,我認為是異想天開,兩人為此進行了激烈的爭吵。”王桂蘭說,很多時候,創(chuàng)新是在夫婦倆的爭吵中產(chǎn)生的。

  反復實驗、不斷試錯之后,研究方向愈加清晰。2010年,大型飛機蒙皮熱壓成形模具的誕生,驗證了在金屬3D打印中復合鍛打的可行性。

  鑄鍛一體化3D打印技術發(fā)布后,國外航空工業(yè)*紛紛上門洽談合作。據(jù)介紹,美國通用公司不久前巨資收購了德國和瑞典兩家3D打印公司,但對于許多需要鍛造性能的大中型承力構件仍無能為力,而張海鷗團隊的研究成果可彌補這個缺陷。

  北京工業(yè)大學教授陳繼民認為,大電流發(fā)生器張海鷗發(fā)明的技術在航空航天、核電、艦船、高鐵等重點支柱領域的應用前景廣闊,比如對于長壽命、高可靠性的航空發(fā)動機關鍵部件的制造有顯著優(yōu)勢。

  在我國研制的新型戰(zhàn)斗機上,一種新型復雜鈦合金接頭的制造也已經(jīng)開始和張海鷗團隊合作,用該技術打印出來的鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性均超過傳統(tǒng)鍛件。

  目前,該技術正在西航動力公司、西安飛機制造公司等新產(chǎn)品開發(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)動機過渡段等零件,以及大型飛機蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車翼子板沖壓成形FGM模具等,應用前景廣闊。

  目前,根據(jù)空客公司對飛機零部件的需求,張海鷗團隊正在進行研發(fā),“一旦繼續(xù)獲得認可,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民用航空*的青睞。”張海鷗說。

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