华中科技大学张海鸥教授破解3D打印世界性难题

"我们的技术将在先进制造领域带来一场新的革命."日前，华中科技大学机械科学与工程学院张海鸥教授携其研发的“智能微铸造、锻造、铣削复合制造技术”与空中客车公司举行了技术合作签约仪式，这是中法两国在先进制造领域的重要合作。这位60岁的老人和他的妻子王桂兰一起带领团队解决了困扰金属3D打印14年的世界级技术难题，并在铸造时实现了中国超西方微锻造的第一次颠覆性原创。

不久前，不仅空中客车公司，而且美国通用电气公司也主动前来洽谈合作事宜。航空巨头正在追求创新成果，这标志着中国已经从“跟随领先”进入3D打印技术的“领先”阶段。

金属铸造和锻造技术的结合将改变西方主导的制造模式。

在华中科技大学，张海鸥和王桂兰就像一个传奇。在与弧光灯打交道十多年后，他们被称为“华科居里夫妇”。事实上，张海鸥的科学研究道路相当曲折。一开始，他沉浸在轧钢研究中。但是“日本几乎已经研究了这项技术”，老师的话给了他当头一棒，他惊呆了。转念一想，他于1987年前往日本“学习经验”。

王桂兰说，在日本工作后，她做得最多的是收集数据，从课程分配到尖端技术。"当我回家时，这些材料被装在31个大箱子里."

十多年的科学研究之路是一个反复试验的过程。“创新是拥有未来的唯一途径。没有太多的出路。”1998年，张海鸥被引进华中科技大学，致力于高效低成本无模快速制造技术的研究。四年后，他开始专注于金属3D打印。

试错之后的创新。2016年7月，张海鸥团队创造性地将金属铸造和锻造技术融为一体，成功制造出世界上第一批3D打印锻件，实现了3D打印锻造状态下等轴晶粒细化、高均匀密度、高韧性、形状复杂的金属锻件，全面提高了锻件的强度、韧性、疲劳寿命和可靠性，降低了设备投资和原材料成本，大大缩短了制造工艺和周期，全面解决了传统3D打印成本高、工时长、无法打印耐用材料的世界性难题。

专家表示，这项技术改变了长期以来西方主导的“铸、锻、铣分离”的传统制造历史，并将开启大型机械实验室制造的历史。

克服传统技术难题，将金属3D打印产品推向高端应用

近日，在华中科技大学数字制造设备与技术国家重点实验室的实验基地，张海鸥团队正在加紧制造一批用于航空领域的高端金属锻件。目前，“智能微铸造锻造”印制的高性能金属锻件已达到2.2米长、260公斤长。现有设备印刷有8种金属材料，如飞机用钛合金、船用潜水器、核电钢等。它是世界上唯一能够印刷大型高可靠性金属锻件的添加剂制造技术设备。

据介绍，在传统的机械制造中，铸造金属材料不能直接加工成高性能零件，必须通过锻造来改造其内部结构，以解决成型问题。然而，对超大型锻压机械的过度依赖导致了投资大、成本高、制造过程长、能耗大、污染和浪费严重的问题。正因为如此，金属3D打印技术已经成为一种尖端的先进制造技术，因为它可以解决上述问题。作为世界新一轮科技革命和工业革命的重要推动力，它已广泛应用于航空航天、医疗、汽车等领域。

“传统的金属3D打印有致命的缺陷:首先，它没有被锻造，金属的抗疲劳性严重不足；二是产品性能不高，不可避免地存在疏松、气孔和不完全熔合缺陷；第三，他们大多数使用激光和电子束作为热源，这是昂贵的。因此，出现了一种尴尬的局面，在这种情况下，什么也看不见。”张海鸥表示，正因为如此，全球金属3D印刷行业一直处于“模型制造”和展览阶段，无法进入高端应用领域。

2016年7月，张海鸥团队开发了微铸造和锻造同步复合设备，并印刷出世界第一批锻件:铁路关键零部件辙叉和航空发动机关键零部件过渡锻件。专家表示，新方法“具有比*成形明显更高的强度、塑性等性能和均匀性，超过了锻造水平”，并将“为航天领域高效、短流程、低成本、绿色、智能制造高性能关键部件提供中国独创的、国际领先的前瞻性技术支持”

“传统的金属零件3D打印工艺是先打印一层，再铸造一层，再锻造另一层，这三个工序要分开依次进行，即前一步完成，后一步可以进行，中间要留出金属冷却时间”。张海鸥介绍说，智能微铸造和锻造技术可以同时进行上述步骤。印刷完成后，铸造和锻造也同时完成。

“我们已经把以前需要8万吨兵力的行动减少到8万分之一，也就是说，不到1吨兵力。与此同时，一台设备完成了许多大型设备过去可以完成的工作。它绿色高效。”他说。

从“跟随”到“引领”，它给先进制造业带来了深刻的技术变革。

张海鸥表示，中国3D打印行业已经进入“跟进”阶段。与发达国家相比，中国的3D打印产业大多停留在科研水平。为了摆脱“和别人跑”的尴尬，我们必须创新。在他的研究方向上，他处处体现着创新精神。

当时，激光和电子束是国内外金属3D打印的主要热源。我们选择等离子体束作为热源来降低成本，发现效率非常高。”张海鸥说，等离子体和激光都被用作热源，通过高能束熔化金属粉末和制造金属模具，但是它们的产生装置和处理方法不同，等离子体具有成本低和成形率高的优点。

十多年前，金属3D打印零件非常粗糙，只能在后来的机械加工后用作零件，而打印复杂零件几乎是不可能的。张海鸥带领团队进行了重复实验，并在金属3D打印上增加了一个铣削环节。通过印刷和机械加工解决了这个问题，获得了国家发明专利。

选择铸造与锻造相结合的方向是一个更大的创新。“当他第一次向我提出‘铸造、锻造和铣削一体化’的想法时，我认为这太棒了，他们为此进行了激烈的争论。”王桂兰说，大多数时候，创新来自夫妻之间的争吵。

经过反复实验和反复尝试，研究方向变得更加清晰。2010年，大型飞机蒙皮热压成型模具的诞生，验证了复合锻造在金属三维印刷中的可行性。

铸锻一体化3D打印技术发布后，国外航空业巨头前来洽谈合作。据报道，美国通用汽车公司最近用巨额资金从德国和瑞典购买了两家3D打印公司，但对于许多需要锻造性能的大中型轴承组件，它仍然无能为力，张海鸥团队的研究成果可以弥补这一缺陷。

北京工业大学的陈教授认为，发明的这项技术在航天、核电、船舶、高铁等关键支柱领域有着广阔的应用前景。例如，它在制造长寿命和高可靠性航空发动机的关键部件方面具有显著优势。

在我国研制的新型战斗机上，一种新型复合钛合金接头的制造也已开始与张海鸥团队合作。该工艺印制的钛合金的抗拉强度、屈服强度、塑性和冲击韧性均高于传统锻件。

目前，该技术正在应用于新产品的开发，如Xi安航动力公司和Xi安航飞机制造公司。高温合金双扭叶轮、铝硅合金热压泵体、发动机过渡段等零件。以及用于大型飞机蒙皮热压成形的双曲面模具和用于汽车翼子板冲压的FGM模具已经试制成功，具有广阔的应用前景。

目前，根据空客对飞机零部件的需求，张海鸥团队正在进行研发。“一旦我们继续获得认可，我们将赢得空客零件生产的订单，同时我们也可能从国际民航巨头那里获得更多青睐。”张海鸥说。