金属3D打印“微铸锻”:以绿色制造实现“弯道超车 

2020-04-27 09:45 发布

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近日,国家科学技术奖励工作办公室公示了2020年度国家科学技术奖的受理项目名单,其中“大型复杂高端零件微铸锻同步超短流程制造技术与装备”即金属3D打印“微铸锻”技术提名2020年度国家技术发明奖一等奖。提名意见描述,“该重大原创性成果,有力支撑我国高端装备自主创新,引领短流程制造技术革命和传统工业绿色转型升级。”

由华中科技大学教授张海鸥首创、武汉天昱智能制造有限公司孵化,团队创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,首创微铸锻增等材同步制造方法与理论,发明并研发了一批具有自主知识产权和核心竞争力的微铸锻同步制造系列技术与装备,攻克了大型复杂高端锻件无法高品质短流程制造的"卡脖子"难题。专家组认为,这项原创金属3D打印技术能够提名国家技术发明一等奖,充分说明,该技术在原创性、领先性、技术难度与成熟完备性的巨大优势,以及社会效益及发展前景的巨大潜力。

一个月前,为保证国防重大项目的如期完成,张海鸥团队在武汉未“解封”时,毅然选择逆行,在金属3D打印“微铸锻”装备的生产基地——天昱智造开启复工复产工作。在天昱智造生产厂房里,弧光闪烁、机声轰鸣。记者在现场看到,一个个复杂金属零件结合独特微铸锻铣工艺,边打印边加工,犹如一件件艺术品惊艳亮相于生产线上。“我们通过在线采集光、电、热、力、声等全方位信号数据,并自写算法建模分析进行稳定性监测与缺陷判定,实现边铸边锻、铸锻同步、形性同控,从而确保增材制造锻件的高可靠性与稳定性。”张海鸥团队博士生王湘平介绍,“铸锻铣一体化的制造过程必须得做到极致的严谨,弧光跳动稍有异常甚至成形声音不对都会对铸锻形性造成影响,绝不能有半点闪失!”
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“传统工艺铸造、锻造、铣削是分离进行的,但在这台机器上实现了一体化。”张海鸥解释说,如果把制作一个精密复杂零部件想成包饺子,那么就需要和面、擀皮、配馅等环节,如果其中一个环节不到位,下锅后可能就露馅,现在这些工序合在一起,皮馅结合紧致,就不会露馅。“露馅的饺子还能吃,但零件‘露馅’就会疏松,只能报废。”

人们常说,好钢要“千锤百炼”“锻打成才”,这是因为只有反复锻打,才能将铸造金属的强度、韧性、疲劳寿命大幅提高到锻件水平。现代制造业即是通过先铸造、再锻造、后铣削来制造高端金属零件,但这一方法存在流程长、反复加热能耗巨大、重污染等缺点,并且无法制造出材料变化的多功能零件,比如航空发动机整体涡轮。

常规金属3D打印技术同样存在致命缺陷:一是没经过锻造,综合力学性能不及锻件,尤其是韧性和疲劳性能;二是冶金质量难以控制,易产生气孔、未熔合等冶金缺陷;三是设备成本和制造成本较高,热源多采用大功率激光或电子束,需整体密闭保护,成形空间有限,材料成本昂贵。
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2015年,张海鸥团队研发出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。专家表示,这种新方法制件是“高效率、短流程、低成本的绿色智能制造。”

复工以来,3D打印“微铸锻”产业化团队已拿到首个核电领域订单,科研团队也在加紧研发涉及航空航天、舰船等领域的新型高端零件,包括铝合金舱段、不锈钢泵推叶轮、超高强钢吊挂盒段底梁,以及钛合金吊挂外后接头等。“尽管疫情让我们按下了几个月的暂停键,但我们的科研工作一刻也没有停,现在全员复工后,我们加足马力生产,年前积压的订单加上现在的新订单,一年的产能可达到5000万左右。”张海鸥说。

目前,该技术制造产品已应用于大型飞机、航空发动机、燃气轮机、航天、船舶、先进轨道交通、核电等多个大国重器的装备制造领域。
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