2020年10月17日消息,近日,張海鷗教授發明的金屬3D列印技術"智能微鑄鍛銑",在3D列印中同步複合鍛打技術,成功應用一臺設備,短流程輕載荷、綠色製造出鍛件,改變了國內外鑄鍛焊銑分離、流程長、需大型鑄鍛削設備、耗資源重汙染、複雜件無法整體製造的傳統製造模式;突破了3D列印無鍛造而難得鍛件的世界難題。
緊固件工業-微鑄鍛銑裝備
"中國張海鷗團隊首創電弧熔積與原位熱軋(鑄鍛銑)同步製造技術,不同於國際同行團隊的電弧熔積的分步製造技術。張海鷗團隊利用鑄鍛銑工藝,獲等軸細晶,成功製造出性能超過鍛件的發動機零件。"國際權威3D列印雜誌《烏勒斯報告》(《Wholers Report》)評價道。
緊固件工業-微鑄鍛銑裝備
該技術融合3D列印、半固態快鍛、柔性機器人3項重大技術,將金屬鑄造、鍛壓、銑技術合三為一,實現3D列印鍛態等軸細晶化、高均勻緻密度、高強韌、形狀複雜的金屬鍛件,全面提高製件強度、韌性、疲勞壽命及可靠性。
鑄鍛工藝以前都是先鑄出毛坯然後鍛壓成型,進入大機械製造時代,傳統製造流程是鑄鍛、焊銑分開,這樣就需要多工序、多裝備,而且時間長,汙染大。現在常規的技術是金屬3D列印,由於金屬熔化得很快,溫度梯度就比較高,產生的氣孔很難以排出。溫度梯度高容易產生裂紋等缺陷。總結出來:我們現在的製造模式對於製造金屬鍛件來說,依賴重型的裝備長,流程長,重汙染,是一種非綠色的鑄造過程。
"常規金屬3D列印存在致命缺陷:一是沒有經過鍛造,金屬抗疲勞性嚴重不足;二是製件性能不高,難免存在疏鬆、氣孔和未熔合等缺陷;三是大都採用雷射、電子束為熱源,成本高昂。所以形成了中看不中用的尷尬局面。"張海鷗介紹,正因如此,全球金屬3D列印行業一直處在"模型製造"和展示階段,無法進入高端應用。
金屬3D列印製造模式由於只有鑄沒有鍛,可以認為它是一種價格比較高、效率比較低,但是優質的綠色製造。它的性能應該介於鑄造和鍛造之間。微鑄鍛銑一體化3D列印就變成了一個超短流程製造鍛件的新方法,把上述長流程縮短為:採用金屬絲、採用裝備來直接得到鍛件,把多設備、多工序、長流程的傳統模式變成採用單一設備、工序合一、超短流程的製造模式。
另外,結合超細等軸晶單鍵微鑄鍛複合成形工藝,可以獲得比傳統鍛造更優越的鍛造性能,從而攻克3D列印不能列印鍛件的這樣一個難題。
據悉,採用智能微鑄鍛銑複合增材製造技術,由原來的10%的成品率可以變成100%,通過X光檢測,性能合格。
高鐵關鍵部件輒叉需要比較好的帶衝擊的耐磨的性能,如果只採用3D列印,只不過改變了它的熱處理方式,仍然沒有改變它的組織特徵。採用微鍛造後,強度和塑形有所降低,即使通過微鍛造合一還沒有進行熱處理情況下,強度延伸都超過了單純3D列印,這說明微鍛造的複合是非常有效的技術。
新型飛機主承力接頭的零件,原來是分段式的機械鍛造、加工,然後機械鉚接起來。複雜的合金螺旋槳以及葉輪,採用我們該技術可以實現在表面用規矩的模具鋼向內部梯度過渡到鑄鋼,這樣在成形模具材料使用方面已經有很大的優勢。
該技術另一個優勢是低成本,使用的熱源價格比較低,而且能量和材料利用率較高。一個零件長短的不同,各點的溫度是不一樣的,得到的各點性能也是不均勻的。使用該技術可以"乘熱打鐵",在熔池與雜孔之間的距離是一定,成形的條件一定情況下,我們可以得到通體的各點力學性能一致器件。
克蘭菲爾德大學(Cranfield)將電弧熔熾與鍛軋集成至1臺三軸數控機上,嘗試成形零件,但這也將是一個挑戰。張海鷗團隊已鑄造同步複合得到鍛件,贏得了挑戰。在美國召開的TCT成形大會上, 奧科寧克公司(ARCONIC)在最後一個階段用雷射受粉得到一個鑄批,這樣一個過程中它的效率和成本相對於本項技術有比較大的提高,可惜的是成本也有比較大的提高。智能微鑄鍛增材製造是華中科技大學機械科學與工程學院張海鷗教授團隊發明的,其傳奇的研發歷程您可以在西瓜視頻搜索獲取更多解析,這裡就不再重複。
"在金屬微熔鑄的同時同一工位複合鍛造工藝,"鑄鍛複合,邊鑄邊鍛"可以獲得增材製造鍛態無織構12級超細等軸晶、高強韌、高可靠性能的複雜形狀金屬鍛件,突破性地解決了傳統製造流程長、汙染重、能耗高、材料利用率低、需要超大型鍛機的世界性難題,同時克服了常規金屬增材製造沒有經過鍛造,容易出現氣孔、裂紋等缺陷,產生高緻密性、各向同性、等軸細晶,強度、韌性較傳統製造更高,可以增強關鍵重要零部件的性能,改變了"鑄鍛分離"的傳統製造模式,較傳統製造方法可縮短製造流程60%以上,節能90%以上,成本降低60%以上,有望開啟綠色短流程製造金屬鍛件的新模式,為高端製造業顛覆性創新技術。"
該發明專利技術已經試點應用於航空、航天、海洋工程、核能、高端裝備等高性能核心複雜零部件製造。
"我們的技術將在先進位造領域掀起新一輪的革命",這位年過60歲張海鷗教授和夫人王桂蘭一起,帶領團隊用14年的時間,破解了困擾金屬3D列印的世界級技術難題,實現了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新。
不僅是空客,美國通用電氣公司不久前也主動上門洽談合作。創新成果被航空業巨頭競相追逐,表明了我國在3D列印技術上已經由"跟跑"開始進入"領跑"階段。將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,改變西方引領的製造模式。
目前由"智能微鑄鍛"列印出的高性能金屬鍛件,已達到2.2米長約260公斤。現有設備已列印飛機用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等8種金屬材料,是世界上唯一可以列印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材製造技術裝備。微鑄鍛銑複合增材製造專用設備TY2000AL-ZDX-03,列印尺寸為:X/Y/Z 2800*1500*900mm。
專家們表示,這項技術改變了長期以來由西方引領的"鑄鍛銑分離"的傳統製造歷史,將開啟實驗室製造大型機械的歷史。
該技術有以下幾個創新點:
1、施加微區逐步鍛造機械力使熔積自由成形的半凝固/剛凝固區產生粘塑性變形;
2、率先提出電弧微鑄軋複合直接成形高性能金屬零件的方法;
3、面向高端部件極端服役條件和增材製造成形性。
我國高端裝備的快速研發生產,急需大型高端零件整體製造技術。
"智能微鑄鍛銑"方法,以電弧增材與連續等材微鍛及熱處理同步複合並融合減材銑削新思想,獨創緊湊柔性機構,實現了增-等-減材與調質集成製造;提出磁-電-光-力多能場多尺度混態成形模擬方法,揭示超常態應力變形和組織演變規律,建立形性並行設計-製造-測控集成智能系統,創立了中國領先世界的鑄鍛銑一體化超短流程綠色智能製造新模式與裝備。
攻克傳統技術難題,推動金屬3D列印製件進入大國重器應用
發明的增材與多向微區半固態等材鍛造同步複合並融合減材銑削的超短流程綠色智能製造新方法與裝備,成功突破3D列印不能列印鍛件而難以在大型高端鍛件中工程應用的世界難題,將引領高端製造業向綠色智能化方向發展,助力傳統工業轉型升級。
北京工業大學教授陳繼民認為,張海鷗發明的技術在航空航天、核電、艦船、高鐵等重點支柱領域的應用前景廣闊,比如對於長壽命、高可靠性的航空發動機關鍵部件的製造有顯著優勢。
在我國研製的新型飛機上,一種新型複雜鈦合金接頭的製造也已經開始和張海鷗團隊合作,用該技術列印出來的鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、衝擊韌性均超過傳統鍛件。
目前,該技術正在西航動力公司、西安飛機製造公司等新產品開發中應用,已經試製了高溫合金雙扭葉輪、鋁矽合金熱壓泵體、發動機過渡段等零件,以及大型飛機蒙皮熱壓成形雙曲面模具、轎車翼子板衝壓成形FGM模具等,應用前景廣闊。
根據空客公司對飛機零部件的需求,張海鷗團隊正在進行研發,"一旦繼續獲得認可,我們將贏得空客的零部件生產的訂單,同時還可能獲得更多國際民用航空巨頭的青睞。"張海鷗說。
該技術成功製造難焊接中碳鋼發動機過渡段並通過烏克蘭標準質量檢測和實機考核;美國GE公司測試GH4169高溫合金疲勞性能超過鍛件;發明被Wohlers Report 2017報導,獲日內瓦國際發明展金獎、中國發明特別獎,以及中國和美國發明專利。
但是製造大國重器的設備必須在自己手中,今年8月,該項技術在商務部、科技部調整發布《中國禁止出口限制出口技術目錄》清單中明確約定鑄鍛銑一體化金屬3D列印技術僅為我國製造業服務。
最後對這個技術進行展望。3D鑄鍛銑合一製造技術的產業化,將改進用一臺設備製造鍛件的綠色智能製造中國模式。第二把鑄件改成鍛件也可以輕量化。第三可望成為"中國製造2025"標杆成果,形成新的技術產業和市場群,促進傳統工業的轉型,是中國超越西方的一個戰略機遇。
總結
全球首創的"智能微鑄鍛"金屬3D列印技術是中國從製造大國向製造強國轉變的推進器,或將掀起世界高端裝備製造業的革命。
相關發展不僅可使中國的大飛機、大船舶能夠實現"中國列印",其他國家的高端裝備也能刻上"中國列印"的烙印,中國方案、中國智慧將閃耀全球。但是有了高端裝備是想要製造完全自主化飛機零部件還是不夠,還有哪些方面我們已經取得了突破?我們還需要再那些方面持續突破?讓我們拭目以待未來的發展。