武漢天昱智能制造有限公司首席科學(xué)家、華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張海鷗教授團(tuán)隊(duì)又獲新突破。近日，由該團(tuán)隊(duì)歷時十余年研發(fā)的金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)相繼成功應(yīng)用于大型泵噴推進(jìn)器槳葉、新型高爐風(fēng)口等大型復(fù)雜零件及高端材料制造中，充分證明了金屬3D打印“微鑄鍛”這一原創(chuàng)短流程綠色制造技術(shù)的巨大市場潛力和廣泛應(yīng)用前景。 

金屬3D打印微鑄鍛同步制造設(shè)備

1、金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)破解復(fù)雜大型零件制造“卡脖子難題”

近日，金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)一次性成功制造大型泵噴推進(jìn)器槳葉。該槳葉選用316L不銹鋼原材料，成型尺寸達(dá)到直徑0.6米、高度1米，總重量160千克，破解了在單一裝備進(jìn)行復(fù)雜曲面構(gòu)件打印增材、變形等材與銑削減材三位一體集成制造的“卡脖子難題”。

張海鷗、王桂蘭教授夫婦在生產(chǎn)現(xiàn)場指導(dǎo)工作

        據(jù)張海鷗介紹，泵噴推進(jìn)器主要應(yīng)用于潛艇軍事、船舶重工等領(lǐng)域，是船舶航行的重要動力裝置。此次采用金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)成功打印的大型泵噴推進(jìn)器槳葉，通過驗(yàn)收與測試，制造周期相比傳統(tǒng)方式縮短了2/3，構(gòu)件的力學(xué)性能得到了大幅度提升，制造精度差由以前的0.5mm提高到0.1mm，未檢測到鑄造缺陷如氣孔、裂紋等。

        “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(shè)備完成了過去諸多大型設(shè)備才能完成的工作，綠色又高效。且生產(chǎn)設(shè)備功率只需50千瓦，單位時間能耗僅為巨型壓機(jī)的千分之二。”張海鷗稱，金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)完全改變了傳統(tǒng)機(jī)械制造長期依賴巨型鍛機(jī)、長流程重污染的模式，不僅突破了現(xiàn)有3D打印金屬零件疲勞性能和可靠性難及鍛件的“卡脖子”難題，也將過去必須由工業(yè)“大象”完成的任務(wù)，輕松交由智能化的工業(yè)“螞蟻”操作完成。

       “以這次制造成功的大型泵噴推進(jìn)器槳葉為例，如果使用微鑄鍛技術(shù)，不僅生產(chǎn)周期從數(shù)月縮短到數(shù)周，能耗也可節(jié)約高達(dá)90%。”張海鷗介紹，金屬3D打印“微鑄鍛”不僅實(shí)現(xiàn)了大型泵噴推進(jìn)器槳葉綠色高效的短制造流程，還顯著提高了材料的疲勞壽命和可靠性，為船舶航行提供更為強(qiáng)勁、穩(wěn)定的“中國動力”。

泵噴推進(jìn)器示意圖

張海鷗團(tuán)隊(duì)研發(fā)人員進(jìn)行設(shè)備調(diào)試

2、金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)是高端材料制造升級“尖板眼”

       近日，金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)由中國寶武武鋼集團(tuán)有限公司（以下簡稱“武鋼集團(tuán)”）成功應(yīng)用于高爐風(fēng)口制造，經(jīng)檢驗(yàn),該新型梯度功能復(fù)合材料高爐風(fēng)口耐磨性大幅提高，抗熱震性能遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)等離子噴涂工藝，風(fēng)口使用壽命較傳統(tǒng)方法提高5倍以上，產(chǎn)生了重大經(jīng)濟(jì)效益。

      據(jù)武鋼集團(tuán)副總經(jīng)理、原煉鐵廠廠長陸隆文介紹，金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)打印的新型梯度功能復(fù)合材料“高爐風(fēng)口”，使用壽命長，大大減少了停爐更換風(fēng)口的時間，有效提高了設(shè)備利用率和生產(chǎn)效率，經(jīng)濟(jì)效益顯著。經(jīng)初步估算，新型“高爐風(fēng)口”使用壽命較傳統(tǒng)產(chǎn)品提高5倍以上，節(jié)約的風(fēng)口購置成本及更換導(dǎo)致的停爐效益共計(jì)約3027萬元。

高爐風(fēng)口強(qiáng)化前后形貌對比

       高強(qiáng)韌高可靠鍛件是高端裝備在惡劣工況下順利運(yùn)行的根本保證，其高品質(zhì)短流程綠色制造技術(shù)是各強(qiáng)國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。在航天航空領(lǐng)域，高端零件的工況同樣十分惡劣，需要極高的耐腐蝕性和耐熱性，這與高爐風(fēng)口的工況有一定類似性。“高爐風(fēng)口的成功應(yīng)用驗(yàn)證了“微鑄鍛”技術(shù)制造的零件完全可以滿足這些要求。包括航天航空在內(nèi)這樣的“尖板眼”制造領(lǐng)域，金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)同樣可以大派用場。”張海鷗堅(jiān)定地說。

      業(yè)界專家普遍認(rèn)為，該技術(shù)不僅舉重若輕地實(shí)現(xiàn)了短流程綠色制造，還大幅提高了制件的強(qiáng)度和韌性，提高了構(gòu)件的疲勞壽命和可靠性，可實(shí)現(xiàn)梯度材料、高溫合金及超高強(qiáng)度鋼等難成形材料的高品質(zhì)制造，廣泛應(yīng)用于航空航天、能源、艦船等領(lǐng)域的高強(qiáng)韌可靠性鍛件制造，接受各種極端環(huán)境的嚴(yán)苛考驗(yàn)。

3、金屬3D打印“微鑄鍛”喜獲湖北省技術(shù)發(fā)明獎一等獎

      今年6月，金屬微鑄鍛同步復(fù)合增材制造技術(shù)與裝備獲得2019年度湖北省技術(shù)發(fā)明獎一等獎。在頒獎評語中這樣寫道：“該技術(shù)在技術(shù)原理、工藝及裝備等方面取得突出創(chuàng)新，在國內(nèi)外首次研制成功微鑄鍛合一裝備，獲得20余項(xiàng)專利等多項(xiàng)創(chuàng)新性成果，整體技術(shù)居于國際領(lǐng)先水平。”

張海鷗教授接受采訪

       張海鷗認(rèn)為，科學(xué)的重大發(fā)現(xiàn)將顯著改變?nèi)祟惖乃枷胗^念，技術(shù)的重大發(fā)明將改變?nèi)祟惖纳詈蜕a(chǎn)方式。如今，科研基礎(chǔ)條件大大改善，大力發(fā)展原創(chuàng)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用正當(dāng)其時。

       “金屬3D打印‘微鑄鍛’顛覆了國內(nèi)外傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝流程和裝備，有望結(jié)束傳統(tǒng)重工業(yè)制造方式，破解了復(fù)雜大型零件制造的‘卡脖子難題’，將‘臟、重、險’的傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式變?yōu)?/span>‘潔、輕、安’的美好生產(chǎn)方式。有望開辟中國領(lǐng)先于世界水平的綠色制造新時代。”張海鷗接受采訪時信心滿滿地說。