张海鸥：高端锻件微铸锻复合增材制造，重大装备取得突破

2018年11月27-28日，2018增材制造全球创新大赛经过激烈地比拼，36个入围路演复评的项目中，15个具有创新性、市场发展前景的增材制造项目获得了评审专家们的青睐，赢得了终评的入场券。

经过严格的初评，36组项目入围路演复评阶段，其中31组来自国内，5组项目来自海外。参赛团队代表在此次路演复评中均做了精彩的项目展示，这些项目针对各行业中遇到的问题，提供了或工艺，或新材料，或技术，或应用软件，或工程方案，或拓扑优化设计等解决方案，为国内3D打印的发展带来了更多灵感与契机。此次路演复评为国内外3D打印项目搭建了交流的平台。一些参赛团队带来了3D打印实物，让评委和现场观众能近距离感受到3D打印的技术成果。
△武汉天昱智能。2017年6月，南极熊就到访位于武汉的天昱智造公司（武汉天昱智能制造有限公司），并参观了其3000㎡金属3D打印厂房。厂房内，屹立着两台高达十几米的大型金属3D打印机，还有激光熔覆设备等，相当震撼。据了解，两台大型金属3D打印机为全球首创“智能微铸锻铣复合增材制造”设备，由其制造出来的金属零部件，性能质量可达到锻件水平，为12级超细晶粒，可以被称为锻造级的金属3打印。


项目：高端锻件微铸锻复合增材制造
人员：张海鸥
华中科技大学博士生导师
数字制造装备与技术国家重点实验室金属3D打印学术带头人
中国增材制造产业联盟学术委员会委员
武汉天昱智能制造有限公司首席科学家。

张海鸥：高端锻件微铸锻复合增材制造。

△张海鸥教授展示运用3D技术打印出的金属零部件 詹松 摄

一、发明背景。
大家知道古代宝剑、现代飞机框梁、发动机涡轮盘均为锻件，自古以来先铸后锻，形状和质量性能是分布的完成的，目前这项技术无法整体制造，复杂的高端锻件，从我们国家重大需求和背景来看，航空发动机、大飞机、动力平台都是国家重大装备重大需求，这种装备要求高可靠性、轻量化，高端锻件需要高强韧、高疲劳寿命，这样锻件年需求大于2000亿元，目前90%以上依赖进口，起落架订货周期长达3年，价格昂贵。

对于这样一些高端锻件采用传统制造技术局限在于，首先流程和周期很长，因为它有很多的工序且分散。而且一直以来多种大型装备，成品率不高，因为成形不均匀性。成功率不高，另外采用大型锻压机昂贵，另外能耗和材料损耗比较高，这种过程是重污染的。产品适应性比较差，因为它的形状是由铸造品质是由锻造分别获得，这种技术由于加工技术限制无法整体制造复杂形状或者梯度材料的零件。

现在增材制造技术是一种短流程的制造技术，但是由于它在制造过程当中没有经过热锻加工，组织多为各项异性缺陷，性能不高不均匀，难以避免，难以得到强韧性的锻件。另外采用逐点堆积成形的效率不高，多采用粉末及大功率激光束、电子束导致成本巨高。

重大的难题是传统技术无法短流程整体制造复杂锻件，增材制造技术又难以制造高疲劳寿命锻件，所以一个重大的挑战就是能否发明高疲劳寿命高端锻件短流程整体制造技术。

张海鸥是1998年从日本到华中科技大学，经过近20年的努力奋斗，在这样一个技术上经过了20年的发明历程。目前来看复合增材制造技术应该是先进制造技术，包括增材制造发展前沿。武汉天昱智能公司，在采用电弧、塑性加工、数控加工这方面做出了自己应有的贡献。其中也得到了国家大力支持，突破我国高端装备自主创新能力弱的瓶颈。


二、主要发明点。
原理上进行创新，基于非平衡加热凝固与办固态变形再结晶热力学过程宏微观机理研究，发明铸锻同步、融合铣削的超短流程，复杂形状与高性能并行创制的新方法。

工艺变革，发明时空可控多能场复合作用铸锻调质一体化，创新均匀锻态等轴习晶大型整体复杂锻件的新工艺。装备发明，发明紧凑变报微锻机构、形貌缺陷原位检测及修复系统集成新装备，实现复杂锻件高可靠性。

具体的发明点：

• 铸锻合一制造高端锻件新方法。
• 电弧熔丝形成熔池，微锻机构对其刚凝固区趁热连续锻压，铸锻合一获均匀致密锻态组织性能。
• 微锻造铣符合无缺陷制造，原位检测，发现缺陷在线铣去，实现增材微铸——等材微锻——调质处理同步，同工位融合减材铣削无缺陷制造。
  

首先进行拓扑优化，然后进行路径优化，实现新的智能路径规划。通过铸锻机构进行控制成形，在过程当中进行监测，发现缺陷修复，最后进行微铸锻多轴协同形成加工，最后得到高端的零件。

通过模拟研究发现，发现复合成形使自由成形可以减少破裂的倾向。

发明点二：高端锻件的铸锻符合制造新工艺，边铸边锻，趁热锻造实现动态再结晶从而获得超细等轴晶，发明一系列材料微铸锻形成新工艺，这个图可以看到最左边是一种铸钛组织，中间是传统锻造等轴晶，最右边得到均匀、细小12级超细等轴晶，这样实现了高端锻件组织性能。

奥贝钢，右边是微铸锻复合未处理的组织状态，还没有进行热处理它的塑性和韧性均优于锻件，冲击韧性是单一待磨成形3倍以上。

高温合金，微铸锻复合，控制扎制压力和微锻温度，得到的组织。最左边是单一的组织，中间是传统锻造组织，右边是微铸锻混合组织。通过和锻造的比较，在强度、塑性、伸长率、收缩率、冲击韧性方面均远高于传统锻造。

钛合金，晶粒粗大、等轴晶，通过微铸锻复合，强度以及塑性、韧性要大于高于传统锻造。

微铸锻铣合一超短流制造新装备。发明灵巧微锻机构，同步作用于熔基，实现用不到吨小的压力微锻，与8万吨的锻压效果相当。其中进行元位检测与修复，发明超声与涡流复合原位检测装置，发现后去除修复，来实现无缺陷。另外进行动态规划，开发在线的动态成形路径规划系统，保证少余量精确成形。这是低成本的要求。

通过以上装置集成，研制出世界首台微铸锻铣合一超短流程制造大型制造装备，加工电高微锻，实现了用一台装备超短流程直接制造高端锻件创新创造发明。这是我们的装备，右边是全封闭实现钛合金成形的装备。

这是我们获得的知识产权以及论文的研究。这是美国Wohlers增材制造国际权威报道2017年的报告，本团队发明了铸锻铣工艺。这是著名杂志明确指出，本团队微铸锻锻轧原位同步符复合制造技术是我们团队首创，不同于英国Cranfield大学电弧增才冷轧分布进行技术。

另外在钛合金典型工艺所得断裂韧度的对比，平均断裂韧度优于传统国内外常规增才工艺，优于传统锻件。损伤容限，比传统降低了一个数量级。这是GE公司检测报告，性能超过GE公司锻件指标，由于其他制造著名机构样件指标。


发明经济优势：铸锻同步，边铸边锻得到了12级超细等轴晶，超短流程，改变传统模式，建立一台设备制造高端锻件新模式，另外高效低成本价格比较低，绿色节能，由于和传统相比，传统自由锻和模锻相好很大的能量带来重污染，通过实测量节能在90%以上，实现了绿色指标。这是应用的情况。

应用情况；实现了整体制造，这是中航发的零件，时间关系不细说了。

经济与社会效益；销售收入在2023年达到2亿1千万元，利润达到4965.8万元，这是国内外一些评价，另外获得了日内瓦中国发明金奖，中国发明协会特别奖。

总结：发明微锻造合一融合铣削新方法，建立多场复合创型创质并行制造理论，攻克一台设备创制锻态等轴细晶等关键技术难题，全球首创高端锻件增材制造新工艺装备。

成果创立高端零件超段流程制造中国模式，支撑我国高端装备自主研发和跨越式赶超西方，带动传统制造业转型升级，中国制造提升高端制造核心技术与装备能力。

——点评——

主持人：感谢张海鸥教授精彩演讲，请专家评审老师进行点评。

沈真：张教授你这个成果我很感兴趣，因为中国飞机零件特别是单一锻件，一直是航空航天领域很关注的事情，也是一个很重要的项目，我刚开始工作第一件事就是疲劳实验，那是一个大锻件，你这个最大能做到多大。

张海鸥：设备的制造能力是吧？

沈真：对。

张海鸥：目前大概在4米，2米是半度，高度也是2米，这个方位都可以做。

沈真：因为大锻件还有一个很重要的问题疲劳寿命的问题，刚才我看了，关于疲劳性怎么样。

张海鸥：我们这项技术因为采用电弧和等离子弧，冶金过程非常充分，在韧性、疲劳性能方面，相对于其他技术来讲有更好的性能和优势，从我们检测情况来讲，在疲劳性能以及损伤容限方面确实不断高于传统技术也高于其他的技术，这是我们技术特点，在强度方面并不是特别突出，但是在塑性、韧性、疲劳性能方面有很大的优势。有数据。

陈志平：我对成本比较感兴趣，跟传统产品用你这个技术做出来，跟传统锻造成本节省大概给一个百分数。

张海鸥：从刚才能耗来讲大概节约70%以上，因为我们进行了实测，传统和中航工业起落架，因为我们现在有一个国防项目，就是采用这个技术做起落架，它的传统技术和我们技术相比，我们能耗是它的不到10%，这是一个比较明显的。另外从过程来讲，3D打印同时进行锻造，3D打印完了以后，它这个过程就结束了，还不像世界上其他一些团队是分开的，大多数是分开的，我们也占有优势，另外我们的采用了电弧，热源里面最便宜的。总的来讲成本应该是企业的秘密的，不会高于模锻。

陈志平：因为对传统锻造我们比较熟悉，三个维度，你这个就一个维度。

张海鸥：也可以三个维度，有像万能轧机这样一种装置，机械手可以各个方向的，收益采用保证在成形过程当中处于三向压力的状态，性能得到很大的提高。

陈志平：设备投入大概是什么量级？

张海鸥：这样来说吧，美国（CT）公司做电子束，他们成形尺寸跟我们差不多，它号称要500万美元，我认为我们功能远高于它，它就是电子束成形，包括了锻造像这样一些属于铸锻型，上一次GE方面总裁问了这个事情，我说应该不比它便宜，起码对于国外来讲。

陈志平：题目里面有一个商业适应性。

张海鸥：在国内来讲，从性能和各方比较来讲，我们性价比应该是最好的。

张嘉振：在您的PPT里面提到了很多C919飞机上的需求，对于我们来说最关键是适航复合性，说白了就是稳定性，稳定性怎么样有没有评估？内部和测试呢？

张海鸥：这个是很不容易的事情，这是要努力的方向，适航不是一次做成，同样要10次甚至更高，这方面肯定要完成这个事情，目前正在进行，但是从我们由于复合塑性加工以后，我认为塑性加工是和3D打印复合最好的收单，因为它不断提高性能，而且没有造成材料的损失。由于有了塑性加工，我们现在还是比较稳定的，但是这个数据还不够，做到适航来讲，还要大量的实验。一个航空产品实现还是有一个过程。

张嘉振：另外我们比较关注的，你这套设备是比较大型的，在航空发动机领域实际上它是比较小而精的，确实比较适合用于飞机上，飞机上比较大的，一个比较显著的问题，打印之后，因为属于焊接技术堆焊的改进，表面的光洁度，底下打一个传统形式，假如说锻成什么样，打成什么样，是没有问题的。但是如果引用了拓扑优化，拓扑优化以后对于表面光洁度怎么做还是比较难的问题，比较稀奇古怪的形状，这项技术（基架）以后怎么考虑，有没有配合，疲劳寿命对点的，如果（基架）不到的话，成熟率就下来了。

张海鸥：这是一个，今年在法兰克福看到其他的国家产品，是鱼鳞式的形状，我强调一点，由于复合塑性加工，我觉得余量、表面质量来讲，我希望控制在1个毫米以内这样的精度，有了塑性加工以后完全可以做到可控，没有塑性加工，虽然有模拟，但是和实际有一定的差距，形状、表面质量应该有很大的提高，形状精度目标控制在1个毫米就是余量。

张嘉振：另外这项技术自己评估一下跟（挪威钛），航天211比你们有哪些优势？

张海鸥：（克莱菲尔德）的技术跟我们几乎是同时出现的，而我们有发明专利，（克莱菲尔德）是分开进行的，一层全部打印完以后，然后再进行一层碾压，这样它的时间是我的两倍，因为我是同时进行，3D打印完了以后就完了，另外我们是在热成形中间趁热打铁，这样可以得到非常细小的等轴。它的教授威廉姆斯今年也来过，他认为我们这个方式在效率成本方面优与他们，他们是冷轧技术比较稳定，这个我们已经攻克了，我们有很稳定的锻扎，成本上差不多，效率差不多。（挪威钛）这个公司采用等离子，以前我们做过等离子，后来放弃了，因为当时都采用粉末，粉末就贵了，现在确实这一点有点没有跟上，它采用丝，这是它的特点，在成本上目前它的设备比较贵，因为原理差不多，后面成本差不多，但是有一点性能上绝对不会低于它，因为我们有锻造，但是有一点，就是由于它没有复合塑性加工，所以它的余量和变形难以做到好精确的。我可以说控制在1个毫米左右，这个他们很难。

张嘉振：因为你们属于一个焊接技术，我想你的优势，我自己的理解不一定对，你的核心元器件基本上可以国产化。

张海鸥：对。焊机国外稍微稳定一点，这个不像激光那样完全靠国外的，我们也可以采用国内的，我们想并行。已经和一家公司开始进行等离子共同研发。

沈真：打出零件做出疲劳试验。
张海鸥：这个疲劳试验我们给GE他们来做的，在GE公司锻件性能之上所有点都在它之上，而且大部分超过它的平均水平，同时对US都进行了测试，这个没有通过。

主持人：非常感谢张教授，您18年的成果真的很显著的。