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张海鸥教授金属3D打印“微铸锻”喜获湖北省技术发明奖一等奖

由华中科技大学机械学院张海鸥教授带领团队研发的金属微铸锻同步复合增材制造技术与装备获得2019年度湖北省技术发明奖一等奖。湖北省科学技术奖励由湖北省人民政府组织授予,为深入实施创新驱动战略,建设创新强省,奖励为湖北省科技事业进步、经济社会发展作出突出贡献的科学技术人员和组织。此次奖励大会以视频会议的形式于6月12日在洪山礼堂举行,获奖人员在线上接受“云颁奖”。

前不久,该团队研发的“大型复杂高端零件微铸锻同步超短流程制造技术与装备”提名2020年度国家技术发明奖一等奖。金属3D打印“微铸锻”技术由张海鸥团队潜心攻关近20年,在国际上首次实现了多自由度协同、组织性能优异、质量稳定可靠的微铸锻同步复合增材制造,有力支撑了我国大型高端装备自主创新,有望引领短流程制造技术革命和传统工业绿色转型升级。

在湖北省技术发明奖一等奖的颁奖评语中写道:“该技术在技术原理、工艺及装备等方面取得突出创新,在国内外首次研制成功微铸锻合一装备,获得20余项专利等多项创新性成果,整体技术居于国际领先水平。”

张海鸥认为,科学的重大发现将显著改变人类的思想观念,技术的重大发明将改变人类的生活和生产方式。如今,科研基础条件大大改善,大力发展原创技术、实现产业化应用正当其时。

“金属3D打印‘微铸锻’颠覆了国内外传统机械制造工艺流程和装备,有望结束传统重工业制造方式,破解了复杂大型零件制造的‘卡脖难题’,将‘脏、重、险’的传统工业生产方式变为‘洁、轻、安’的美好生产方式。有望开辟中国领先于世界水平的绿色制造新时代。”张海鸥说。

金属3D打印“微铸锻”实现首台世界最大锻件的3D打印装备

高强韧高可靠锻件的高品质短流程绿色制造技术是各强国可持续发展的战略制高点。一百多年来,世界制造业一直采用铸-锻-热-削多工序分步、长流程、大型锻机、重污染模式制造锻件,大型复杂件受限于锻机可锻面积,无法整体锻造,只能分块锻后拼焊,可靠性降低。新兴的增材制造技术(3D打印技术)有铸无锻,疲劳性能不及锻件。

2000年初,张海鸥与王桂兰夫妇二人便开始踏上金属3D打印事业的漫漫征途。2009年,张海鸥开始构想如何让金属3D打印制件具备锻件性能,使之能应用于高端领域。“当时,很多同行在这里受阻或认可了3D打印不能打印锻件的论断。”张海鸥偏偏要去挑战这样一个大家都觉得不能完成的事。

经过无数次磨难与失败,2016年,张海鸥团队终于研发出首台世界最大锻件的3D打印装备,该装备突破了“铸锻同步、控形控性、缺陷监测、自主修复”等难题,研制出世界最大锻件(16m2)的3D打印短流程制造装备,并打印出全球第一批锻件:铁路关键部件辙叉与重载超长导轨、C919承力件、超高压耐蚀高精度异型壳体。

“我们将原先需要8万吨力才能完成的动作,降低到八万分之一,也就是不到1吨的力即可完成,节能高达90%。”张海鸥说,“经过验证,锻件疲劳寿命超过国际航空锻件水平,且成形效率为国外顶级水平的3倍。”

原航空航天工业部部长林宗棠表示,这种新方法制件“将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的前瞻性技术支持。”

金属3D打印“微铸锻”技术为大型螺旋桨制造提供“中国方案”

金属3D打印“微铸锻”技术不仅在“上天”的航空航天关键部件制造中大有可为,在“入海”的船舶潜艇制造中同样有用武之地。舰船用螺旋桨叶的传统制造技术主要有铸造、焊接。对于制造技术而言,大型和超大型螺旋桨铸造工艺繁琐,铸造流程复杂;此外,传统螺旋桨多使用铜合金,由于桨叶厚度大,不仅易产生大噪音,而且制约推进速度。

使用金属3D打印“微铸锻”技术制造大型螺旋桨叶,将自动化焊接技术、多轴联动数控加工技术复合,同时使用微铸锻技术,在微区铸造的基础上,加入微区锻造,能够优化材料的综合机械性能。经综合检验,已进入规模化生产及实际应用阶段。

王桂兰教授介绍:“攻克了大型舰船用螺旋桨的制造难题后,我们相继“啃下”了大型超高压泵及高低频重载复杂锻件制造的“硬骨头”,为船舶和核电等提供更为强劲、稳定的‘中国动力’。”2016年以来,张海鸥团队利用金属3D打印“微铸锻”技术为合作单位研制多种推进器和动载承力的关键部件。

船舶行业是大国崛起和综合国力的重要标志。张海鸥介绍,近年来,中国已经成为全球最重要的造船中心之一。作为长江经济带和长江中游城市群重要省份,湖北是内陆重要的船舶工业基地,船舶推进产品核心零部件市场需求巨大。 其中,对直接快速成形、缩短制造周期、高效低成本和一体化构件的制造更是存在迫切需求。

利用金属3D打印“微铸锻”技术,完全改变了传统机械制造长期依赖巨型锻机、长流程重污染的模式,不仅破解了在复杂曲面构建上同时进行打印增材、等材变形与铣削减材在同一装备上集成制造的“卡脖难题”,也将过去必须由工业“大象”完成的任务,轻松交由智能化的工业“蚂蚁”操作完成。

把高端制造的核心技术掌握在自己手里

2018年总书记在中科院工程院大会上强调,关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的。只有把关键核心技术掌握在自己手中,才能从根本上保障国家经济安全、国防安全和其他安全。金属3D打印“微铸锻”技术破解了复杂大型零件制造的“卡脖难题”,对国之重器的自主创新意义重大。相关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。

“未来随着各种新金属材料的出现,我们将进一步拓展适用增材制造的金属材料性能数据库;随着先进高端装备研制领域对高性能零件的新设计和新材料要求,我们还将致力于研制出更多高强韧、高疲劳寿命、轻量化零件的专用制造工艺与装备,确保将高端制造的核心技术牢牢掌握在自己手里。”张海鸥介绍。

“面对日趋激烈、关乎国运的世界高新科技竞争,抢占制高点,布局于长远,是我们作为当代中国科学家的时代担当。此次获得湖北省发明奖一等奖代表了业界对我们的肯定,这是一个新的起点。这个起点鼓舞着我们继续弘扬新时代科学家精神,只争朝夕、不负韶华,为实现‘中国打印’而努力奋斗!”张海鸥铿锵有力地说。

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