張海鷗：高端鍛件微鑄鍛復合增材制造，重大裝備取得突破

2018年11月27-28日，2018增材制造全球創(chuàng)新大賽經(jīng)過激烈地比拼，36個入圍路演復評的項目中，15個具有創(chuàng)新性、市場發(fā)展前景的增材制造項目獲得了評審專家們的青睞，贏得了終評的入場券。

經(jīng)過嚴格的初評，36組項目入圍路演復評階段，其中31組來自國內(nèi)，5組項目來自海外。參賽團隊代表在此次路演復評中均做了精彩的項目展示，這些項目針對各行業(yè)中遇到的問題，提供了或工藝，或新材料，或技術，或應用軟件，或工程方案，或拓撲優(yōu)化設計等解決方案，為國內(nèi)3D打印的發(fā)展帶來了更多靈感與契機。此次路演復評為國內(nèi)外3D打印項目搭建了交流的平臺。一些參賽團隊帶來了3D打印實物，讓評委和現(xiàn)場觀眾能近距離感受到3D打印的技術成果。
△武漢天昱智能。2017年6月，南極熊就到訪位于武漢的天昱智造公司（武漢天昱智能制造有限公司），并參觀了其3000㎡金屬3D打印廠房。廠房內(nèi)，屹立著兩臺高達十幾米的大型金屬3D打印機，還有激光熔覆設備等，相當震撼。據(jù)了解，兩臺大型金屬3D打印機為全球首創(chuàng)“智能微鑄鍛銑復合增材制造”設備，由其制造出來的金屬零部件，性能質(zhì)量可達到鍛件水平，為12級超細晶粒，可以被稱為鍛造級的金屬3打印。


項目：高端鍛件微鑄鍛復合增材制造
人員：張海鷗
華中科技大學博士生導師
數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室金屬3D打印學術帶頭人
中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟學術委員會委員
武漢天昱智能制造有限公司首席科學家。

張海鷗：高端鍛件微鑄鍛復合增材制造。

△張海鷗教授展示運用3D技術打印出的金屬零部件 詹松 攝

一、發(fā)明背景。
大家知道古代寶劍、現(xiàn)代飛機框梁、發(fā)動機渦輪盤均為鍛件，自古以來先鑄后鍛，形狀和質(zhì)量性能是分布的完成的，目前這項技術無法整體制造，復雜的高端鍛件，從我們國家重大需求和背景來看，航空發(fā)動機、大飛機、動力平臺都是國家重大裝備重大需求，這種裝備要求高可靠性、輕量化，高端鍛件需要高強韌、高疲勞壽命，這樣鍛件年需求大于2000億元，目前90%以上依賴進口，起落架訂貨周期長達3年，價格昂貴。

對于這樣一些高端鍛件采用傳統(tǒng)制造技術局限在于，首先流程和周期很長，因為它有很多的工序且分散。而且一直以來多種大型裝備，成品率不高，因為成形不均勻性。成功率不高，另外采用大型鍛壓機昂貴，另外能耗和材料損耗比較高，這種過程是重污染的。產(chǎn)品適應性比較差，因為它的形狀是由鑄造品質(zhì)是由鍛造分別獲得，這種技術由于加工技術限制無法整體制造復雜形狀或者梯度材料的零件。

現(xiàn)在增材制造技術是一種短流程的制造技術，但是由于它在制造過程當中沒有經(jīng)過熱鍛加工，組織多為各項異性缺陷，性能不高不均勻，難以避免，難以得到強韌性的鍛件。另外采用逐點堆積成形的效率不高，多采用粉末及大功率激光束、電子束導致成本巨高。

重大的難題是傳統(tǒng)技術無法短流程整體制造復雜鍛件，增材制造技術又難以制造高疲勞壽命鍛件，所以一個重大的挑戰(zhàn)就是能否發(fā)明高疲勞壽命高端鍛件短流程整體制造技術。

張海鷗是1998年從日本到華中科技大學，經(jīng)過近20年的努力奮斗，在這樣一個技術上經(jīng)過了20年的發(fā)明歷程。目前來看復合增材制造技術應該是先進制造技術，包括增材制造發(fā)展前沿。武漢天昱智能公司，在采用電弧、塑性加工、數(shù)控加工這方面做出了自己應有的貢獻。其中也得到了國家大力支持，突破我國高端裝備自主創(chuàng)新能力弱的瓶頸。


二、主要發(fā)明點。
原理上進行創(chuàng)新，基于非平衡加熱凝固與辦固態(tài)變形再結(jié)晶熱力學過程宏微觀機理研究，發(fā)明鑄鍛同步、融合銑削的超短流程，復雜形狀與高性能并行創(chuàng)制的新方法。

工藝變革，發(fā)明時空可控多能場復合作用鑄鍛調(diào)質(zhì)一體化，創(chuàng)新均勻鍛態(tài)等軸習晶大型整體復雜鍛件的新工藝。裝備發(fā)明，發(fā)明緊湊變報微鍛機構、形貌缺陷原位檢測及修復系統(tǒng)集成新裝備，實現(xiàn)復雜鍛件高可靠性。

具體的發(fā)明點：

• 鑄鍛合一制造高端鍛件新方法。
• 電弧熔絲形成熔池，微鍛機構對其剛凝固區(qū)趁熱連續(xù)鍛壓，鑄鍛合一獲均勻致密鍛態(tài)組織性能。
• 微鍛造銑符合無缺陷制造，原位檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷在線銑去，實現(xiàn)增材微鑄——等材微鍛——調(diào)質(zhì)處理同步，同工位融合減材銑削無缺陷制造。
  

首先進行拓撲優(yōu)化，然后進行路徑優(yōu)化，實現(xiàn)新的智能路徑規(guī)劃。通過鑄鍛機構進行控制成形，在過程當中進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)缺陷修復，最后進行微鑄鍛多軸協(xié)同形成加工，最后得到高端的零件。

通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)復合成形使自由成形可以減少破裂的傾向。

發(fā)明點二：高端鍛件的鑄鍛符合制造新工藝，邊鑄邊鍛，趁熱鍛造實現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶從而獲得超細等軸晶，發(fā)明一系列材料微鑄鍛形成新工藝，這個圖可以看到最左邊是一種鑄鈦組織，中間是傳統(tǒng)鍛造等軸晶，最右邊得到均勻、細小12級超細等軸晶，這樣實現(xiàn)了高端鍛件組織性能。

奧貝鋼，右邊是微鑄鍛復合未處理的組織狀態(tài)，還沒有進行熱處理它的塑性和韌性均優(yōu)于鍛件，沖擊韌性是單一待磨成形3倍以上。

高溫合金，微鑄鍛復合，控制扎制壓力和微鍛溫度，得到的組織。最左邊是單一的組織，中間是傳統(tǒng)鍛造組織，右邊是微鑄鍛混合組織。通過和鍛造的比較，在強度、塑性、伸長率、收縮率、沖擊韌性方面均遠高于傳統(tǒng)鍛造。

鈦合金，晶粒粗大、等軸晶，通過微鑄鍛復合，強度以及塑性、韌性要大于高于傳統(tǒng)鍛造。

微鑄鍛銑合一超短流制造新裝備。發(fā)明靈巧微鍛機構，同步作用于熔基，實現(xiàn)用不到噸小的壓力微鍛，與8萬噸的鍛壓效果相當。其中進行元位檢測與修復，發(fā)明超聲與渦流復合原位檢測裝置，發(fā)現(xiàn)后去除修復，來實現(xiàn)無缺陷。另外進行動態(tài)規(guī)劃，開發(fā)在線的動態(tài)成形路徑規(guī)劃系統(tǒng)，保證少余量精確成形。這是低成本的要求。

通過以上裝置集成，研制出世界首臺微鑄鍛銑合一超短流程制造大型制造裝備，加工電高微鍛，實現(xiàn)了用一臺裝備超短流程直接制造高端鍛件創(chuàng)新創(chuàng)造發(fā)明。這是我們的裝備，右邊是全封閉實現(xiàn)鈦合金成形的裝備。

這是我們獲得的知識產(chǎn)權以及論文的研究。這是美國Wohlers增材制造國際權威報道2017年的報告，本團隊發(fā)明了鑄鍛銑工藝。這是著名雜志明確指出，本團隊微鑄鍛鍛軋原位同步符復合制造技術是我們團隊首創(chuàng)，不同于英國Cranfield大學電弧增才冷軋分布進行技術。

另外在鈦合金典型工藝所得斷裂韌度的對比，平均斷裂韌度優(yōu)于傳統(tǒng)國內(nèi)外常規(guī)增才工藝，優(yōu)于傳統(tǒng)鍛件。損傷容限，比傳統(tǒng)降低了一個數(shù)量級。這是GE公司檢測報告，性能超過GE公司鍛件指標，由于其他制造著名機構樣件指標。


發(fā)明經(jīng)濟優(yōu)勢：鑄鍛同步，邊鑄邊鍛得到了12級超細等軸晶，超短流程，改變傳統(tǒng)模式，建立一臺設備制造高端鍛件新模式，另外高效低成本價格比較低，綠色節(jié)能，由于和傳統(tǒng)相比，傳統(tǒng)自由鍛和模鍛相好很大的能量帶來重污染，通過實測量節(jié)能在90%以上，實現(xiàn)了綠色指標。這是應用的情況。

應用情況；實現(xiàn)了整體制造，這是中航發(fā)的零件，時間關系不細說了。

經(jīng)濟與社會效益；銷售收入在2023年達到2億1千萬元，利潤達到4965.8萬元，這是國內(nèi)外一些評價，另外獲得了日內(nèi)瓦中國發(fā)明金獎，中國發(fā)明協(xié)會特別獎。

總結(jié)：發(fā)明微鍛造合一融合銑削新方法，建立多場復合創(chuàng)型創(chuàng)質(zhì)并行制造理論，攻克一臺設備創(chuàng)制鍛態(tài)等軸細晶等關鍵技術難題，全球首創(chuàng)高端鍛件增材制造新工藝裝備。

成果創(chuàng)立高端零件超段流程制造中國模式，支撐我國高端裝備自主研發(fā)和跨越式趕超西方，帶動傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級，中國制造提升高端制造核心技術與裝備能力。

——點評——

主持人：感謝張海鷗教授精彩演講，請專家評審老師進行點評。

沈真：張教授你這個成果我很感興趣，因為中國飛機零件特別是單一鍛件，一直是航空航天領域很關注的事情，也是一個很重要的項目，我剛開始工作第一件事就是疲勞實驗，那是一個大鍛件，你這個最大能做到多大。

張海鷗：設備的制造能力是吧？

沈真：對。

張海鷗：目前大概在4米，2米是半度，高度也是2米，這個方位都可以做。

沈真：因為大鍛件還有一個很重要的問題疲勞壽命的問題，剛才我看了，關于疲勞性怎么樣。

張海鷗：我們這項技術因為采用電弧和等離子弧，冶金過程非常充分，在韌性、疲勞性能方面，相對于其他技術來講有更好的性能和優(yōu)勢，從我們檢測情況來講，在疲勞性能以及損傷容限方面確實不斷高于傳統(tǒng)技術也高于其他的技術，這是我們技術特點，在強度方面并不是特別突出，但是在塑性、韌性、疲勞性能方面有很大的優(yōu)勢。有數(shù)據(jù)。

陳志平：我對成本比較感興趣，跟傳統(tǒng)產(chǎn)品用你這個技術做出來，跟傳統(tǒng)鍛造成本節(jié)省大概給一個百分數(shù)。

張海鷗：從剛才能耗來講大概節(jié)約70%以上，因為我們進行了實測，傳統(tǒng)和中航工業(yè)起落架，因為我們現(xiàn)在有一個國防項目，就是采用這個技術做起落架，它的傳統(tǒng)技術和我們技術相比，我們能耗是它的不到10%，這是一個比較明顯的。另外從過程來講，3D打印同時進行鍛造，3D打印完了以后，它這個過程就結(jié)束了，還不像世界上其他一些團隊是分開的，大多數(shù)是分開的，我們也占有優(yōu)勢，另外我們的采用了電弧，熱源里面最便宜的。總的來講成本應該是企業(yè)的秘密的，不會高于模鍛。

陳志平：因為對傳統(tǒng)鍛造我們比較熟悉，三個維度，你這個就一個維度。

張海鷗：也可以三個維度，有像萬能軋機這樣一種裝置，機械手可以各個方向的，收益采用保證在成形過程當中處于三向壓力的狀態(tài)，性能得到很大的提高。

陳志平：設備投入大概是什么量級？

張海鷗：這樣來說吧，美國（CT）公司做電子束，他們成形尺寸跟我們差不多，它號稱要500萬美元，我認為我們功能遠高于它，它就是電子束成形，包括了鍛造像這樣一些屬于鑄鍛型，上一次GE方面總裁問了這個事情，我說應該不比它便宜，起碼對于國外來講。

陳志平：題目里面有一個商業(yè)適應性。

張海鷗：在國內(nèi)來講，從性能和各方比較來講，我們性價比應該是最好的。

張嘉振：在您的PPT里面提到了很多C919飛機上的需求，對于我們來說最關鍵是適航復合性，說白了就是穩(wěn)定性，穩(wěn)定性怎么樣有沒有評估？內(nèi)部和測試呢？

張海鷗：這個是很不容易的事情，這是要努力的方向，適航不是一次做成，同樣要10次甚至更高，這方面肯定要完成這個事情，目前正在進行，但是從我們由于復合塑性加工以后，我認為塑性加工是和3D打印復合最好的收單，因為它不斷提高性能，而且沒有造成材料的損失。由于有了塑性加工，我們現(xiàn)在還是比較穩(wěn)定的，但是這個數(shù)據(jù)還不夠，做到適航來講，還要大量的實驗。一個航空產(chǎn)品實現(xiàn)還是有一個過程。

張嘉振：另外我們比較關注的，你這套設備是比較大型的，在航空發(fā)動機領域?qū)嶋H上它是比較小而精的，確實比較適合用于飛機上，飛機上比較大的，一個比較顯著的問題，打印之后，因為屬于焊接技術堆焊的改進，表面的光潔度，底下打一個傳統(tǒng)形式，假如說鍛成什么樣，打成什么樣，是沒有問題的。但是如果引用了拓撲優(yōu)化，拓撲優(yōu)化以后對于表面光潔度怎么做還是比較難的問題，比較稀奇古怪的形狀，這項技術（基架）以后怎么考慮，有沒有配合，疲勞壽命對點的，如果（基架）不到的話，成熟率就下來了。

張海鷗：這是一個，今年在法蘭克福看到其他的國家產(chǎn)品，是魚鱗式的形狀，我強調(diào)一點，由于復合塑性加工，我覺得余量、表面質(zhì)量來講，我希望控制在1個毫米以內(nèi)這樣的精度，有了塑性加工以后完全可以做到可控，沒有塑性加工，雖然有模擬，但是和實際有一定的差距，形狀、表面質(zhì)量應該有很大的提高，形狀精度目標控制在1個毫米就是余量。

張嘉振：另外這項技術自己評估一下跟（挪威鈦），航天211比你們有哪些優(yōu)勢？

張海鷗：（克萊菲爾德）的技術跟我們幾乎是同時出現(xiàn)的，而我們有發(fā)明專利，（克萊菲爾德）是分開進行的，一層全部打印完以后，然后再進行一層碾壓，這樣它的時間是我的兩倍，因為我是同時進行，3D打印完了以后就完了，另外我們是在熱成形中間趁熱打鐵，這樣可以得到非常細小的等軸。它的教授威廉姆斯今年也來過，他認為我們這個方式在效率成本方面優(yōu)與他們，他們是冷軋技術比較穩(wěn)定，這個我們已經(jīng)攻克了，我們有很穩(wěn)定的鍛扎，成本上差不多，效率差不多。（挪威鈦）這個公司采用等離子，以前我們做過等離子，后來放棄了，因為當時都采用粉末，粉末就貴了，現(xiàn)在確實這一點有點沒有跟上，它采用絲，這是它的特點，在成本上目前它的設備比較貴，因為原理差不多，后面成本差不多，但是有一點性能上絕對不會低于它，因為我們有鍛造，但是有一點，就是由于它沒有復合塑性加工，所以它的余量和變形難以做到好精確的。我可以說控制在1個毫米左右，這個他們很難。

張嘉振：因為你們屬于一個焊接技術，我想你的優(yōu)勢，我自己的理解不一定對，你的核心元器件基本上可以國產(chǎn)化。

張海鷗：對。焊機國外稍微穩(wěn)定一點，這個不像激光那樣完全靠國外的，我們也可以采用國內(nèi)的，我們想并行。已經(jīng)和一家公司開始進行等離子共同研發(fā)。

沈真：打出零件做出疲勞試驗。
張海鷗：這個疲勞試驗我們給GE他們來做的，在GE公司鍛件性能之上所有點都在它之上，而且大部分超過它的平均水平，同時對US都進行了測試，這個沒有通過。

主持人：非常感謝張教授，您18年的成果真的很顯著的。