张海鸥团队“金属微铸锻铣同步复合增材制造技术”进展新闻综合

我国大型泵喷推进器桨叶制造技术获新突破——金属3D打印为船舶提供“中国动力”

来源：科学网   中国科学报   作者：陈彬 徐小丹   时间：2020/5/27

近日，位于武汉的天昱智能制造有限公司接到一个为某大型船舶制造单位提供大型泵喷推进器桨叶的订单。这笔订单不但是该公司复工复产以来的第一笔“大单”，对于我国船舶泵喷推进器桨叶的高端制造业而言，这笔订单也有着别样的意义。

作为国之重器，泵喷推进器主要应用于潜艇军事、船舶重工等领域，是船舶航行的重要动力装置。因此，对于推进器桨叶的制作工艺有着相当高的要求。近日，由华中科技大学教授张海鸥带领团队采用自主研发的金属3D打印“微铸锻”技术，成功制造应用于船舶重工的大型泵喷推进器桨叶，实现了复杂曲面构件增等减材一体化复合快速制造，解决了3D打印技术中大尺寸零件制造中的“卡脖难题”。而此次天昱智能制造有限公司所采用的技术，便是这一最新技术。

据悉，该团队凭借其研发的“金属微铸锻铣同步复合增材制造技术”（以下简称金属3D打印“微铸锻”技术），一次性制造成功的大型泵喷推进器桨叶，其成型尺寸达到直径0.6米、高度1米，总重量160千克，并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”。

据张海鸥介绍，3D打印技术发明于上世纪90年代。与传统对原材料去除、切削、组装的加工模式不同之处，该技术是一种“自下而上”，通过材料累加的制造方法。这使得过去受到传统制造方式的约束，无法实现的复杂结构件制造变为可能。

“常规金属3D打印同样存在‘卡脖子’问题。”张海鸥说，一是没有经过锻造，金属抗疲劳性严重不足；二是制件性能不高，难免存在疏松、气孔和未熔合等缺陷；三是大都采用激光、电子束为热源，成本高昂。所以形成了中看不中用的尴尬局面。

正因为如此，目前全球金属3D打印尽管在中小尺寸零部件制造中存在优势，但在大尺寸零件制造上无法和大型锻压机相比，因此也无法进入大型复杂零件的高端应用。

针对这一世界性难题，张海鸥带领研究团队潜心攻关，经过20年不懈努力，发明了“智能微铸锻”3D打印技术，创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一，实现了首超西方的边铸边锻的颠覆性原始创新。

张海鸥表示，目前，国际前沿的金属3D打印过程为先进行打印，之后再完成连续冷锻轧制；二步要依次进行，中间还要腾出金属冷却的时间。“智能微铸锻技术可以同步进行上述步骤，打印完成了，铸锻也就同时完成了，熔积效率是前者的3倍。”

“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，一台设备同时完成了过去诸多大型设备才能完成的工作，绿色又高效。”他说。

生产设备功率只需50千瓦，单位时间能耗为巨型压机的千分之二，金属3D打印“微铸锻”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，不仅突破了现有3D打印金属零件疲劳性能和可靠性难及锻件的“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。

“以这次制造成功的大型泵喷推进器桨叶为例，如果使用微铸锻技术，不仅生产周期从数月缩短到数周，能耗也可节约高达90%。”张海鸥介绍，金属3D打印“微铸锻”不仅实现了绿色高效的短制造流程，还显著提高了材料的疲劳寿命和可靠性，为船舶航行提供更为强劲、稳定的“中国动力”。

当今世界，航空、航天、核能等多项支柱产业领域以及我国大型先进尖端武器领域，都需要各种复杂、大型的机械零部件。而鉴于金属3D打印“微铸锻”技术对高端制造业绿色智能化转型升级的潜在价值，业界普遍认为，该技术极有可能开辟机械制造史的绿色制造新时代。

“以飞机制造为例，目前一架大型客机的机体结构零件数量数以万计。如果未来可利用3D打印技术生产相关构件，那么一架大型客机的机身结构零部件数量可能仅需数百个。”张海鸥说，不仅如此，未来利用金属3D打印技术，再搭配模拟仿真技术，飞机的研制生产周期也将实现数量级降低。“说不定仅需从前的一半时间，一台大飞机就可从图纸变成一台真实可触的‘巨无霸’。”

华中科技大学张海鸥教授团队高端锻件智能微铸锻铣复合超短流程增材制造技术

装备项目介绍

来源：中国机械工程学会   《中国机械工程》杂志

原文网址：https://www.360kuai.com/pc/96192b92af71fadbd?cota=4&tj_url=so_rec&sign=360_57c3bbd1&refer_scene=so_1

【导语】《中国制造2025》重点领域技术路线图中对增材制造的重点发展方向作出了具体规划，强调要重点突破具有系列原创技术的高性能大型关键构件高效增材制造工艺及成套装备工程化关键技术。华中科技大学张海鸥教授团队的颠覆式原始创新成果--“微铸锻铣一体化超短流程增材制造技术及装备”项目为国家战略提供了强力的成果支撑，对我国重大装备中关键金属零件自主制造工艺的探索具有重大积极意义，开启了中国领先于世界水平的短流程、轻载、节能、省材、绿色制造新时代。

近日华中科技大学发布了“2017年度华中科技大学重大学术进展”，由张海鸥教授领衔的“高端锻件微铸锻铣复合超短流程增材制造技术与装备”项目是八项入选项目之一(遴选标准突出成果的原创性及对所属学科所起的引领和推动作用)。下面对张海鸥教授的此项目作详细解读。

01

项目概述

张海鸥教授发明的金属3D打印技术“智能微铸锻铣”，在3D打印中同步复合锻打技术，成功应用一台设备，短流程轻载荷绿色制造出锻件，改变了国内外铸锻焊铣分离、流程长、需大型铸锻削设备、耗资源重污染、复杂件无法整体制造的传统制造模式;突破了3D打印无锻造而难得锻件的世界难题。

我国高端装备的快速研发生产，急需大型高端零件整体制造技术。“智能微铸锻铣”方法，以电弧增材与连续等材微锻及热处理同步复合并融合减材铣削新思想，独创紧凑柔性机构，实现了增-等-减材与调质集成制造;提出磁-电-光-力多能场多尺度混态成形模拟方法，揭示超常态应力变形和组织演变规律，建立形性并行设计-制造-测控集成智能系统，创立了中国领先世界的铸锻铣一体化超短流程绿色智能制造新模式与装备。

成功制造难焊接中碳钢发动机过渡段并通过乌克兰标准质量检测和实机考核;美国GE公司测试GH4169高温合金疲劳性能超过锻件;发明被Wohlers Report 2017报道，获日内瓦国际发明展金奖、中国发明特别奖，以及中国和美国发明专利。

02

项目特色

发明了增材与多向微区半固态等材锻造同步复合并融合减材铣削的超短流程绿色智能制造新方法与装备，成功突破3D打印不能打印锻件而难以在大型高端锻件中工程应用的世界难题，将引领高端制造业向绿色智能化方向发展，助力传统工业转型升级。

03

创新点

(1)发明了高效低成本电弧微铸锻同步复合制造高端金属零件的方法，实现铸锻合一、边铸边锻3D打印出传统锻造无法得到的12级超细等轴晶复杂形状锻件，攻克了3D打印有铸无锻不能打印锻件的世界难题。该方法综合了增材成形与半固态连续铸锻两项重大先进制造技术的优势，实现高性能零件的形状尺寸与组织性能一体化创成即创形创质并行制造，是我国独创、国际领先的高端金属零件3D打印增材制造技术。

(2)实现了用一台“智能微铸锻铣”设备超短流程绿色智能制造锻件，突破了传统铸锻焊铣多工序分离制造模式依赖巨型锻机、流程很长、耗能耗材重污染、复杂零件无法整体制造的另一世界难题，变革了国内外传统制造模式，实现了铸锻铣合一制造全过程数字信息化，创立了超短流程绿色智能制造中国模式，引领传统制造业转型升级。

(3)以独创的紧凑柔性机器手和智能化技术，融合电弧高效低成本增材成形、半固态等材成形、铣削减材成形技术，将成形与随动局部控制形变热处理一体化;施加微区连续锻造力能使熔积自由成形的半凝固/刚凝固区产生黏塑性变形，既可减轻或消除拉应力、防止开裂与变形，又可改善组织，减小各向异性和组织性能的不均匀性，实现形性共控，为高端装备关键金属部件的优质高效低成本制造提供核心关键技术支撑，具有重大的理论意义和工程实用价值。

(4)提出采用LB-CA法与CIP-HM(Homogenization Method)连成的宏细观耦合跨尺度方法，模拟分析新工艺成形过程中电磁-热力-机械力耦合复合场作用下传质、传热、相变和变形过程，把握移动热源和刚-柔性约束的热力循环条件下的制件热应力变形和组织演变与控制规律，建立高端部件形与质主动并行控制的成形路径-熔积能量-塑性加工三位一体MBD智能制造系统。

综上形成以下优势:

(1)边铸边锻。得到12级“超细等轴晶”，而传统锻造只能得到7~8级“等轴晶”。

(2)超短流程。将铸锻焊削多制造单元集成为一个制造单元，可同时控制零件形状和性能，缩短研制周期60%。

(3)高效低成本。双丝熔积速率快达30-40kg/h，不用巨型锻机，金属丝价格约为激光打印粉材的1/5，同功率电弧价格是进口激光器的1/10。

(4)绿色制造。变革耗资源重污染方式，开启中国领先于世界水平的绿色制造新时代。

04

标志性成果

(1) 制造出大型高性能锻件:应用于成都铁路局委托的铁路最关键部件2.4米超高强韧辙叉的制造，创制出12级超细等轴晶锻件，冲击韧性达到单一电弧增材成形的3倍以上并超过传统锻件水平;应用于西安航空动力股份有限公司委托的发动机过渡段制造，通过发动机系统实际装机测试，鉴定专家组认为，这种新方法制造零件“强度和塑性等性能及均匀性显著高于自由增材成形，并超过锻件水平，冶金质量达到乌克兰航空发动机标准”，“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”。

(2)增材成形高温合金疲劳寿命达到世界先进水平:美国GE公司测试了本团队微铸锻复合技术与装备制备的高温合金GH4169样件疲劳性能:全部超过GE锻件水平且大部分超过其平均值，大幅优于国际著名EOS公司激光成形样件水平，处于世界前列。

(3) 国际发明技术引领:2017年被国际3D打印行业最权威的Wohlers Report 2017报道:本团队发明了微铸锻铣复合增材制造高端金属锻件的方法;已获得中国发明专利(ZL201010147632.2)和美国发明专利(US 9302338B2)授权。在知识产权、成形工艺原理、装备紧凑灵活性方面，均领先于欧洲著名的CRANFIELD大学28个合作伙伴团队研发的熔积-冷轧分离增材制造技术与装备。

(4) 超细等轴晶机理:建立了电-磁-热-力多能场复合、固-液-气混态超常态快速成形过程模拟数学模型，提出HM-LEVEL SET – CA耦合的宏细观跨尺度模拟方法，揭示了微铸锻复合增材制造创制12级超细等轴晶、显著降低残余应力提高疲劳寿命的机理，拓展了短流程绿色智能制造的科学理论与方法。

(5)发明变胞灵巧手:发明变胞灵巧手实现了增材成形微区半固态黏塑性加工，发展了变胞机器人理论，拓展了变胞机器人的工程应用领域，发表了高水平学术论文。

(6) 理想梯度零件数字建模方法:提出了面向复杂使役性能和直接增材制造过程成形性的非线性复杂梯度源多功能理想零件的数字建模方法，开发了复杂形状多功能零件曲面分层与自适应路径规划软件，获得软件著作权，可为高性能新型航空发动机关重件的快速研制与低成本制造提供自主创新型关键技术支撑。

(7)疲劳损伤机理:基于同步辐射大科学装置，研制出填补国内空白、世界先进的三维原位成像疲劳试验机，率先开展增材制造钛合金、高温合金的缺陷限度和疲劳寿命预测研究，提出3D打印部件内部缺陷表征和评估的一致性方法。

(8)获2017年日内瓦国际发明奖和中国发明协会特别奖。

以上重大创新成果将建立超短流程绿色智能制造中国模式，为我国高端装备关键部件快速低成本研发制造，带动航空航天、能源、海工等相关产业高端装备实现跨越式发展提供引领性原创技术支持，成为中国超越西方和“中国制造2025”的标杆性成果。

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研发背景介绍

1998年，张海鸥教授与夫人王桂兰教授作为高端留学回国人员，被华中科技大学从日本东京大学引进该校。经过两位教授和课题组教师以及200多名硕博研究生近20年的努力奋斗，创建了以中国创新的高质量、高效率、低成本、短流程绿色制造模式和技术路线为目标，以创形(形状)创质(品质)并行制造为特色，以应用基础、关键技术、工程应用研究突破为主线，由机械、材料、能源、电气、控制等学院的教授、副教授、讲师、高工、博硕研究生约60余人组成的国内外知名的研究团队和基地。该团队承担了国防及国家重大重点等项目数十项，发明了微铸锻铣合一超短流程制造技术与装备等一系列具有重大学术意义和应用价值的高端制造技术与装备，在国内外权威和核心杂志上发表论文200余篇，获国内外发明专利20余项，在国际上产生了重要影响。