全球首创！我科学家研发铸锻一体化金属3D打印技术
2020-09-25 14:26阅读：
2020年7月22日，华中科技大学发布重大科研成果，该校机械学院张海鸥团队利用首创的“铸锻铣一体化”金属3D打印技术，成功制造出世界首批3D打印锻件。该成果有望改变世界金属零件制造历史，给全球机械制造业带来颠覆性创新。
在人们熟悉的印象里，那个一层一层逐级攀升的塑料材质的物体既可以制成自己
的肖像，也可以造出各种模型。但与民众接触到的更具娱乐意味的3D打印技术相比，因材质不同而另称的金属3D打印，则因为技术含量和应用领域的不同而更具有高端性和神秘感。金属3D打印，多被用于机械制造和航空航天工程中形状复杂的零件制造，对技术指标要求极高。
传统机械制造中，浇铸后的金属材料不能直接加工成高性能零部件，必须通过锻造改造其内部结构，解决成型问题。但是对超大锻机的过度依赖，导致机械制作投资大、成本高且制作流程长、能耗巨大、污染严重、浪费严重并难以制作梯度功能材料零件。
作为后起之秀的常规金属3D打印技术（参见：探秘中国金属3D打印）因能够解决传统制造业的以上弊病而受到青睐。然而，常规3D打印同样存在致命缺陷：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；三是存在气孔和未融合部分；四是大都采用激光、电子束为热源，成本高昂。因而形成了“中看不中用”无法高端应用的局面。
据科技日报武汉7月22日电，为解决这一世界性难题，华中科技大学机械学院张海鸥教授团队经过十多年潜心攻关，研制出微铸锻同步复合设备创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一，实现了首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新，从而大幅提高了制件强度和韧性，提高了构件的疲劳寿命和可靠性。不仅能打印薄壁金属零件，而且能打印出大壁厚差的金属零件，省去了传统巨型锻压机的成本，打破了3D打印行业存在的最大障碍，有望
开启人类实验室制造大型机械的新篇章。日前该金属
3D打印技术已成功制造出世界首批
3D打印锻件。
“铸锻铣一体化”技术同时解决了传统机械制造“锻铸分离”和3D打印“有铸无锻”的难题。张海鸥介绍，运用“铸锻铣一体化”技术生产零件，其精细程度比激光3D打印提高50%。同时，零件的形状尺寸和组织性能可控，大大缩短产品周期：制造一个两吨重的大型金属铸件，过去需要3个月以上，现在仅需10天左右。该技术以金属丝材为原料，材料利用率达到80%以上，而丝材料价格成本仅为目前普遍使用材料的十分之一左右。在热源方面，使用高效廉价的电弧为热源，成本为目前普遍使用的大多需要进口的激光器的1/10。
据了解，“铸锻铣一体化”金属3D打印技术在航空航天、海洋、核能、冶金等领域具有广阔的应用前景。近期，西安航空发动机有限公司定制了一款发动机过渡段零件。经专家组实地考察和鉴定认为，采用新技术首次铸锻铣一体化高质量3D打印成形的优质锻件，处于世界领先水平。
张海鸥教授简介：华中科技大学机械学院数字制造装备与技术国家重点实验室数字化制造工艺方向学术带头人，Email：zholab@mail.hust.edu.cn。
研究方向：金属、陶瓷及FGM零件增量材制造技术与装备、新材料制备、成形、加工一体化技术与装备、机器人数字化成形、燃料电池等离子熔射制造技术、增量制造过程计算机模拟等。
金属3D打印技术“铸锻铣一体化已经成功应用在歼-20和歼-31两型战机上：华中科技大学的研究人员近期公布了一项不可思议的金属3D打印技术——“铸锻铣一体化”。这项技术将3D打印，铸造和锻造工艺融合在一起，不仅可以加工出高质量的零部件，还可以大幅降低生产成本。因此，这项技术几乎对所有行业都会产生作用，尤其对铸造行业的颠覆将会是革命性的。
中国航空工业专家是这项技术的最先使用者，运用3D打印生产的中国第五代战斗机的关键部件，已经成功应用在歼-20和歼-31两型战机上。
我国首创3D打印叶片技术，航发性能有望提升，已严禁对外出口：在上个世纪40年代中后期开始，各国都在进行喷气式发动机的研发工作。美国、苏联和英国成为了该领域的佼佼者。截至到目前为止，上述三国一共研发了近20多款类型涡扇发动机，包括为战斗机研发的小涵道比涡扇发动机和运输机、客机研发的大涵道比涡扇发动机。目前，我国开始在航空发动机领域开始发力，WS-10B和WS-13E这两款小涵道比涡扇发动机的相继问世就是最好的证明，而且为五代隐形战斗机配套研发的WS-15发动机也正处于最后的研发阶段，预计会在2022年左右正式装机进行首飞测试。之所以可以在航空发动机领域获得如此大的进步，最关键的还是单晶叶片技术上的突破。
对于航空发动机来说，其最关键的部件应该就是内部的风扇叶片。发动机如果想要实现推力的增加，最直接的办法就是提高发动机进气口的温度，而随着温度的提升，风扇组成的单晶叶片就需要承受巨大的温度和压力。据航空专家介绍，直径只有10厘米长度不到的单晶叶片在工作过程中就需要承受超过10吨的压力和1000多摄氏度的温度，这也就非常考验单晶叶片的稳定性和可靠性。其实，单晶叶片并不是一个整体，其表面和内部都有大量的复杂的气流通道口，在高温环境下除了叶片材料需要抗住高温熔点以外，叶片在引入外界低温气流之后会形成一层低温气膜，来应对高温考验。
而目前单晶叶片制造工业是采用的是失蜡法铸造，即使用蜂蜡构成叶片的零件外形，然后再使用耐火材料填充空隙构成外部模型，最后将高温液态金属从模型的缝隙处倒入内部，等到蜂蜡融化流出，零件彻底冷却之后就成为了可以使用的单晶叶片。不过采用这种传统工艺制造的叶片存在产量低和成品率低的缺点，即使是全球航空工业技术最先进的英国劳斯莱斯公司也仅仅只能保证每周生产2台EJ-200涡扇发动机，一方面是因为需求量决定生产速度，另一方面则是因为单晶叶片的良品率差和产量低的缺点限制了发动机的整装工作。但是这个问题也慢慢已经开始被工程师所改变，目前我国我首创的3D打印叶片技术将会实现单晶叶片的革命性突破。
虽然3D打印技术目前已经是非常火的技术，开始慢慢在各大领域使用，与以往的制造工业不同，使用者只需要在电脑内部完成产品的全部设计工作，然后再输入相关参数之后，就可以在短时间内得到自己想要的产品。按照其使用原料来说，非常适合制造单晶叶片这种非常复杂的零件。可其在航空工业领域的试验并不广泛，美国航发巨头通用电气公司曾表示，3D打印技术并不适合在航空发动机方面的制造，因为使用这种技术造出来的零件存在强度低和质量差的缺点，而且因为成本较高的因素并不适合大规模使用。
但是在2016年的时候，我国成功研发出可以对金属产品进行3D打印的技术，使用该技术制造的零部件整体性能基本上等同于传统工艺打造的零部件。现阶段，该技术已经开始大规模在国产飞机上使用，其中就包括五代隐形战斗机和运-20大型运输机。而为了防止技术泄露和保证在该领域的领先，在前段时间我国科技部和商务部联合发布的《中国禁止出口限制出口技术目录》，其中就包括铸锻铣一体化金属
3D
打印关键技术，可以说中国在航空发动机领域终于拥有了一项可以让外国人正视的技术。
附：我国新增对外管制技术当中就有“3D打印技术（编号：183506X），控制要点：‘锻铸铣一体化’金属3D打印关键技术”。
我国又突破世界唯一技术：领先全球同行，未来或可3D打印造潜艇：2019-02-18
据最新公开资料披露，由华中科技大学张海鸥和王桂兰教授历经多年研发的，世界独创的微铸锻铣增材制造技术目前已通过我国船舶、航空、航天工业部门的严格审查，将用于制造我国新一代潜艇大型关键金属部件，大飞机用超高强钢起落架部件、大飞机用航空发动机涡轮后机匣部件、以及该发动机舱吊挂主承力钛合金盒段、国产核电站主泵壳体、载人航天飞行器太空密封舱等等，这些项目的成功完成将奠定我国在这项技术上的世界领先地位，已被有关专家评价为“是一项颠覆性原始创新绿色新制造工艺”。这也是继北京航空航天大学王华明教授团队研发的激光增材制造技术之后，我国在3D打印技术上的又一项重大突破。
大型金属元件的直接制造成型是增材制造技术（也就是人们常说的3D打印技术）应用研究的前沿领域，由于其直接面向航空航天等高技术国防领域，因此受到国内外的高度重视。这些金属元件通常采用激光、电子束、电弧等能源将金属粉末或丝材加热熔化来实现快速成形，但这些技术都各有其优缺点。激光3D打印技术是目前应用最广泛的成型工艺，北航王华明教授团队在此项技术应用上居国际领先地位。由于激光光斑直径小、熔池小，使得成形精度高，可直接成形高精度复杂构件，但也存在成形慢、效率低的问题，成本与大批量模锻工艺相比，处于劣势地位，较适合高价值小批量产品和样品件生产。电子束3D打印技术脱胎于欧美国家原先广泛应用的真空电子束焊接技术，因其能量利用率高，受到美国有关部门和航空公司的青睐
美国西亚基（Sciaky）公司研制的电子束3D打印设备号称具有目前世界上最快的金属熔覆速度。其缺点是原材料中不能含有易挥发的元素，如蒸汽压较高的镁、铝、锌等，真空熔融时原材料的成分、性能得不到保证。并且该技术成形尺寸规格受价格昂贵的真空室体积限制，设备投资和运行成本较高。此外，电子束增材制造过程处于密闭的真空环境，可采用的实时调节控制手段有限，故成形过程中出现缺陷很难进行实时修整。电弧熔积3D打印技术则由钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、等离子弧焊等焊接技术发展而来，它以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件。其成形速率很高（最大可高于10公斤／小时），适于大尺寸复杂金属构件的快速成形。近年来，电弧增材制造技术日益受到国内外高度重视。但是，高成形效率也导致电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低等缺点。
并且国内外相关制造业一直对这些金属3D打印技术存在着争议，对其综合力学性能能否超过高疲劳寿命锻件表示怀疑。我国的歼20战斗机钛合金主承力件就仍然采用传统的锻压工艺生产。华中科技大学张海鸥和王桂兰教授团队发明的“智能微铸锻铣复合制造”技术，将高效低成本的电弧微铸增材成形与连续微锻成形同步复合，并在同工位集成了铣削减材成形方法，改变了传统的铸锻焊铣多工序分步、依赖铸锻铣多台重装备的制造长流程，实现了以一台铸锻铣合一装备及超短流程工艺制造零件的技术变革。由于其引入了微锻打工艺，提高了增材制造件的韧性和抗疲劳性。目前智能微铸锻铣复合制造技术现已实现高温合金、钛合金、超高强度钢、奥贝钢、碳钢、铝合金等材料零件的绿色低能耗短流程制造。
在中航飞机起落架（长沙）有限责任公司做的实验结果证明，与当前飞机起落架主要通过万吨水压机整体模锻与后续机械加工来制造成形相比，电弧微铸锻铣工艺成形技术由于微轧制的作用，试样晶粒尺寸得到很好的细化，形态更为均匀，呈等轴晶状，达到锻件微观组织形态，AerMet100超高强度钢样件硬度，抗拉强度、屈服强度，延伸率等性能参数甚至超过了常规锻件技术标准。同时，传统制造方法生产起落架与微铸锻铣复合制造方法生产起落架相比，前者的能耗是后者的33倍，前者的材料消耗为后者的7倍，后者的生产周期由数月缩短为数天。再也无需像传统锻造那样多次反复加热锻压，极大地减小了能耗，提高了生产效率，完全摆脱了对大型模锻压机的依赖。在船舶工业领域，由于潜艇和船体水下部分往往采用流线外型设计，存在大量的多曲率复杂结构。这些结构部件尺寸较大，往往是通过将大件分割成易加工小件，
成型加工后再拼焊的方式来保证建造精度。
出于尺寸和成本的考虑，目前在潜艇和船体结构建造领域还鲜有有关增材制造技术的报道。华中科技大学张海鸥和王桂兰教授团队研发的电弧微铸锻铣工艺目前已经可以打印大到4米左右的金属部件，且从理论上没有尺寸的限制。由于其生产成本低，速度快、材料利用率高，力学性能优异，无需采用真空环境，已被有关军工部门选为大型船舶和潜艇复杂曲面结构的增材制造技术。已研制出一种履带式永磁吸附爬行电弧增材制造机器人，用以满足船舶，航空等超大型零部件的金属直接快速成型技术需要。总之，电弧微铸锻铣技术将成为“未来装备制造的标杆成果，带来从设计、材料、工艺、检测、装备等各种要素的变化，形成新的技术、产业和市场群，促进传统锻造工业的转型和技术升级，成为中国超越西方先进制造技术的战略机遇。
