武漢：高端鍛件微鑄鍛復(fù)合增材制造，我國重大裝備技術(shù)取得突破

    南極熊備注：早在2017年6月，南極熊首次到訪武漢天昱智能制造有限公司（天昱智造），當(dāng)時(shí)3000㎡的“微鑄鍛銑復(fù)合增材制造”生產(chǎn)線已經(jīng)投入使用，除了2臺(tái)大型微鑄鍛銑復(fù)合增材制造裝備外，還有中型大壓力微軋制增材設(shè)備、激光熔覆與再制造設(shè)備、Concept laser M2等。時(shí)間過去一年，張海鷗教授發(fā)明的該項(xiàng)“微鑄鍛銑復(fù)合增材制造”技術(shù)有了更大的突破，服務(wù)于航空航天、武器裝備、船舶海工領(lǐng)域等重大項(xiàng)目。本文為南極熊在2018增材制造全球創(chuàng)新大賽上聆聽張海鷗教授演講及其回答專家問題時(shí)收錄的部分精彩內(nèi)容，以示我國重大裝備取得突破，行業(yè)交流共勉。

    張海鷗，華中科技大學(xué)博士生導(dǎo)師，數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室金屬3D打印學(xué)術(shù)帶頭人，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，武漢天昱智能制造有限公司首席科學(xué)家。

微鑄鍛銑復(fù)合增材制造專用設(shè)備

    項(xiàng)       目：高端鍛件微鑄鍛復(fù)合增材制造
    演講摘要：
    大家知道，古代寶劍、現(xiàn)代飛機(jī)框梁、發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤均為鍛件，自古以來先鑄后鍛，流程長而繁雜，且無法整體制造復(fù)雜的高端鍛件。從我們國家重大需求背景來看，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、大飛機(jī)、動(dòng)力平臺(tái)要求高強(qiáng)韌、高疲勞壽命與輕量化高端鍛件，年需求大于2000億元，目前90%以上依賴進(jìn)口，例如，C919訂單近800架，起落架等訂貨周期長達(dá)2年，價(jià)格昂貴。對于這樣一些高端鍛件，采用傳統(tǒng)制造技術(shù)局限在于工序分散與流程長，產(chǎn)品適應(yīng)性差，無法整體制造復(fù)雜形狀或者梯度材料的零件，且由于大型裝備成形不均，能耗高與污染重，導(dǎo)致其成品率低，成本極高。
增材制造技術(shù)是一種短流程的制造技術(shù)，但其在制造過程當(dāng)中沒有經(jīng)過熱鍛加工，組織性能存在各向異性，難以直接獲得高強(qiáng)韌性的鍛件。由此可見，傳統(tǒng)技術(shù)無法短流程整體制造復(fù)雜鍛件，而增材制造技術(shù)又難以制造高疲勞壽命鍛件，能否發(fā)明高疲勞壽命高端鍛件短流程整體制造技術(shù)成為重大挑戰(zhàn)。
    微鑄鍛銑復(fù)合增材制造技術(shù)——
    · 原理創(chuàng)新�；�于時(shí)空交變剛?cè)嵝阅芰繄鲎饔玫姆瞧胶饧訜崮�固與半固態(tài)變形再結(jié)晶的熱力學(xué)過程宏微觀機(jī)理研究，發(fā)明“鑄鍛同步、融合銑削”的半固態(tài)超短流程、復(fù)雜形狀與高疲勞性能并行創(chuàng)制的新方法。
    · 工藝變革。發(fā)明自由時(shí)空可控多能場復(fù)合作用鑄鍛調(diào)質(zhì)一體化、創(chuàng)制均勻等軸細(xì)晶大型復(fù)雜鍛件新工藝。
    · 裝備發(fā)明。發(fā)明緊湊變胞微鍛機(jī)構(gòu)、形貌缺陷原位檢測及修復(fù)系統(tǒng)集成新裝備，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鍛件高可靠性制造。

3D打印等軸細(xì)晶鍛態(tài)合金對比圖

    靈巧變胞微鍛機(jī)構(gòu)：同步作用于熔積剛凝固區(qū)，實(shí)現(xiàn)用不到一噸的機(jī)械力微鍛，與八萬噸鍛壓效果相當(dāng)。
    原位檢測及修復(fù)系統(tǒng)：發(fā)明了超聲和渦流復(fù)合原位檢測裝置，逐層原位檢測缺陷、發(fā)現(xiàn)后去除并修復(fù)，保證無缺陷成形。
    形貌檢測與動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃：開發(fā)在線形貌檢測和動(dòng)態(tài)成形路徑智能規(guī)劃系統(tǒng)，保證少余量精確成形。
    ——Scripta Materialia明確表示，張海鷗團(tuán)隊(duì)微鑄鍛銑同步復(fù)合制造（HDMR）技術(shù)系天昱智造團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)，不同于英國Cranfield大學(xué)的電弧增材-冷軋串行技術(shù)。

    問答摘要：
    沈真：張教授您好，我對您的研發(fā)成果很感興趣，因?yàn)橹袊�飛機(jī)零件特別是單一鍛件，一直是航空航天領(lǐng)域十分關(guān)注的事情，您的這個(gè)裝備能打印的最大尺寸是多大？
    張海鷗：我們目前可以打印大到4米左右，將來還會(huì)更大。
    沈真：因?yàn)榇箦懠�還有一個(gè)很重要的問題是疲勞壽命的問題，那么制件疲勞性能怎樣？
    張海鷗：我們這項(xiàng)技術(shù)采用電弧和等離子弧技術(shù)，冶金過程非常充分，在韌性、疲勞性能方面，相對于其他技術(shù)來講有更好的性能和優(yōu)勢。我們的檢測結(jié)果也表明，在疲勞性能以及損傷容限方面確實(shí)高于傳統(tǒng)技術(shù)也高于其他的技術(shù)，這是我們技術(shù)特點(diǎn)，在強(qiáng)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。

    陳志平：我對成本比較感興趣，跟傳統(tǒng)鍛造工藝比較，你們的技術(shù)大概節(jié)省多少成本？
    張海鷗：這分很多方面。從能耗來講大概節(jié)約70%以上，因?yàn)樵谏�產(chǎn)中我們進(jìn)行了實(shí)測，比如中航工業(yè)的一個(gè)起落架，我們工藝的能耗是傳統(tǒng)工藝的10%。另外從過程來講，我們的采用的是電弧，熱源里面最便宜的，所用的絲材的價(jià)格也相當(dāng)便宜，是粉材的十分之一。目前來講，總成本不會(huì)高于模鍛，而將來隨著規(guī)模的擴(kuò)大，成本會(huì)繼續(xù)下降。
    陳志平：我們對傳統(tǒng)鍛造比較熟悉，它具有三個(gè)維度的壓力，你們的技術(shù)也是這樣的嗎？
    張海鷗：我們也可以做到三個(gè)維度，有像萬能軋機(jī)這樣一種裝置，保證在成形過程當(dāng)中處于三向壓力的狀態(tài)，性能得到很大的提高。
    陳志平：設(shè)備投入大概是什么量級？
    張海鷗：這樣說吧，美國西亞基公司做電子束成形的，他們成形尺寸跟我們差不多，它號稱要500萬美元。我認(rèn)為我們設(shè)備的功能和價(jià)值遠(yuǎn)高于它，你可以以此來來做一個(gè)參照。
    陳志平：您如何從商業(yè)適應(yīng)性的角度評價(jià)您的技術(shù)？
    張海鷗：我們開創(chuàng)了“邊鑄邊鍛”技術(shù)，開拓了新的市場，主導(dǎo)了增材制造市場的差異化，至于長久的未來，基于我們技術(shù)的市場會(huì)越來越大，我們的產(chǎn)品性價(jià)比也會(huì)領(lǐng)先于市場。

    張嘉振：您提到了很多C919飛機(jī)上的需求，對我們來說最關(guān)鍵是適航復(fù)合性，說白了就是穩(wěn)定性，穩(wěn)定性怎樣，有沒有評估，內(nèi)部和測試呢？
    張海鷗：我們正在進(jìn)行測試，這個(gè)是很不容易的事情，這是所有企業(yè)都要努力的方向，適航不是一次做成，要做10次甚至更多，過程相當(dāng)漫長。單講穩(wěn)定性的話，我們的技術(shù)在塑性、韌性、疲勞性能方面尤其突出，這就足以說明了其穩(wěn)定性。
    張嘉振：與挪威鈦公司（Norsk Titanium）、航天211比較，你們有哪些優(yōu)勢？
    張海鷗：挪威鈦公司采用的是等離子技術(shù)，通過融化金屬絲后層層堆積的方式構(gòu)建3D實(shí)體。以前我們也做過等離子，后來放棄了，因?yàn)楫?dāng)時(shí)都采用粉末，粉末比較貴，而現(xiàn)在挪威鈦公司用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了金屬絲材融化堆積，確實(shí)取得了較大的突破，但是他的設(shè)備成本是比我們高的，加上它沒有復(fù)合塑性，余量和變形難以做到精確。
    跟我們技術(shù)最近似、最有可比性的其實(shí)是英國克蘭菲爾德大學(xué)的技術(shù)，他們跟我們一樣采用電弧增材的方式，不同的是，他們?nèi)鄯e一層結(jié)束以后，再進(jìn)行軋制，效率比較低，整體不均勻。我們是邊熔邊鍛，可以得到非常均勻的超細(xì)等軸晶�？颂m菲爾德大學(xué)的威廉姆斯教授今年也來過我們公司，他認(rèn)為我們這個(gè)方式在效率成本方面優(yōu)于他們，但他們是冷軋技術(shù)比較穩(wěn)定，其實(shí)我們已經(jīng)克服了技術(shù)難題，兩者穩(wěn)定性是一樣的。