武汉华中科技大学张海鸥：高端锻件微铸锻复合增材制造

南极熊备注：早在2017年6月，南极熊首次到访武汉天昱智能制造有限公司（天昱智造），当时3000㎡的“微铸锻铣复合增材制造”生产线已经投入使用，除了2台大型微铸锻铣复合增材制造装备外，还有中型大压力微轧制增材设备、激光熔覆与再制造设备、Concept laser M2等。时间过去一年，张海鸥教授发明的该项“微铸锻铣复合增材制造”技术有了更大的突破，服务于航空航天、武器装备、船舶海工领域等重大项目。本文为南极熊在2018增材制造全球创新大赛上聆听张海鸥教授演讲及其回答专家问题时收录的部分精彩内容，以示我国重大装备取得突破，行业交流共勉。


△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。



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微铸锻铣复合增材制造专用设备

项    目：高端锻件微铸锻复合增材制造

演讲摘要：

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，流程长而繁杂，且无法整体制造复杂的高端锻件。从我们国家重大需求背景来看，航空发动机、大飞机、动力平台要求高强韧、高疲劳寿命与轻量化高端锻件，年需求大于2000亿元，目前90%以上依赖进口，例如，C919订单近800架，起落架等订货周期长达2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工序分散与流程长，产品适应性差，无法整体制造复杂形状或者梯度材料的零件，且由于大型装备成形不均，能耗高与污染重，导致其成品率低，成本极高。

增材制造技术是一种短流程的制造技术，但其在制造过程当中没有经过热锻加工，组织性能存在各向异性，难以直接获得高强韧性的锻件。由此可见，传统技术无法短流程整体制造复杂锻件，而增材制造技术又难以制造高疲劳寿命锻件，能否发明高疲劳寿命高端锻件短流程整体制造技术成为重大挑战。

微铸锻铣复合增材制造技术——

· 原理创新。基于时空交变刚柔性能量场作用的非平衡加热凝固与半固态变形再结晶的热力学过程宏微观机理研究，发明“铸锻同步、融合铣削”的半固态超短流程、复杂形状与高疲劳性能并行创制的新方法。

· 工艺变革。发明自由时空可控多能场复合作用铸锻调质一体化、创制均匀等轴细晶大型复杂锻件新工艺。

· 装备发明。发明紧凑变胞微锻机构、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制造。

△自由成形      微铸锻复合成形

3D打印等轴细晶锻态合金对比图

灵巧变胞微锻机构：同步作用于熔积刚凝固区，实现用不到一吨的机械力微锻，与八万吨锻压效果相当。
原位检测及修复系统：发明了超声和涡流复合原位检测装置，逐层原位检测缺陷、发现后去除并修复，保证无缺陷成形。
形貌检测与动态路径规划：开发在线形貌检测和动态成形路径智能规划系统，保证少余量精确成形。
——Scripta Materialia明确表示，张海鸥团队微铸锻铣同步复合制造（HDMR）技术系天昱智造团队首创，不同于英国Cranfield大学的电弧增材-冷轧串行技术。




问答摘要：
沈真：张教授您好，我对您的研发成果很感兴趣，因为中国飞机零件特别是单一锻件，一直是航空航天领域十分关注的事情，您的这个装备能打印的最大尺寸是多大？
张海鸥：我们目前可以打印大到4米左右，将来还会更大。
沈真：因为大锻件还有一个很重要的问题是疲劳寿命的问题，那么制件疲劳性能怎样？
张海鸥：我们这项技术采用电弧和等离子弧技术，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。我们的检测结果也表明，在疲劳性能以及损伤容限方面确实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。

陈志平：我对成本比较感兴趣，跟传统锻造工艺比较，你们的技术大概节省多少成本？
张海鸥：这分很多方面。从能耗来讲大概节约70%以上，因为在生产中我们进行了实测，比如中航工业的一个起落架，我们工艺的能耗是传统工艺的10%。另外从过程来讲，我们的采用的是电弧，热源里面最便宜的，所用的丝材的价格也相当便宜，是粉材的十分之一。目前来讲，总成本不会高于模锻，而将来随着规模的扩大，成本会继续下降。
陈志平：我们对传统锻造比较熟悉，它具有三个维度的压力，你们的技术也是这样的吗？
张海鸥：我们也可以做到三个维度，有像万能轧机这样一种装置，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：这样说吧，美国西亚基公司做电子束成形的，他们成形尺寸跟我们差不多，它号称要500万美元。我认为我们设备的功能和价值远高于它，你可以以此来来做一个参照。

陈志平：您如何从商业适应性的角度评价您的技术？
张海鸥：我们开创了“边铸边锻”技术，开拓了新的市场，主导了增材制造市场的差异化，至于长久的未来，基于我们技术的市场会越来越大，我们的产品性价比也会领先于市场。

张嘉振：您提到了很多C919飞机上的需求，对我们来说最关键是适航复合性，说白了就是稳定性，稳定性怎样，有没有评估，内部和测试呢？
张海鸥：我们正在进行测试，这个是很不容易的事情，这是所有企业都要努力的方向，适航不是一次做成，要做10次甚至更多，过程相当漫长。单讲稳定性的话，我们的技术在塑性、韧性、疲劳性能方面尤其突出，这就足以说明了其稳定性。

张嘉振：与挪威钛公司（Norsk Titanium）、航天211比较，你们有哪些优势？
张海鸥：挪威钛公司采用的是等离子技术，通过融化金属丝后层层堆积的方式构建3D实体。以前我们也做过等离子，后来放弃了，因为当时都采用粉末，粉末比较贵，而现在挪威钛公司用该技术实现了金属丝材融化堆积，确实取得了较大的突破，但是他的设备成本是比我们高的，加上它没有复合塑性，余量和变形难以做到精确。
跟我们技术最近似、最有可比性的其实是英国克兰菲尔德大学的技术，他们跟我们一样采用电弧增材的方式，不同的是，他们熔积一层结束以后，再进行轧制，效率比较低，整体不均匀。我们是边熔边锻，可以得到非常均匀的超细等轴晶。克兰菲尔德大学的威廉姆斯教授今年也来过我们公司，他认为我们这个方式在效率成本方面优于他们，但他们是冷轧技术比较稳定，其实我们已经克服了技术难题，两者稳定性是一样的。