在傳統機械制造中,澆鑄后的金屬材料不能直接加工成高性能零部件,必須通過鍛造改造其內部結構,解決成型問題。但是對超大鍛機的過度依賴,導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗大、污染和浪費嚴重的問題。金屬3D打印技術因能解決以上弊病而成為前沿性的先進制造技術。作為全球新一輪科技革命和產業革命的重要推動力,目前已經在航空航天、醫療、汽車等領域開始獲得大規模應用。
但常規金屬3D打印存在致命缺陷:
一是沒有經過鍛造,金屬抗疲勞性嚴重不足;
二是制件性能不高,難免存在疏松、氣孔和未熔合等缺陷;
三是大都采用激光、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。正因如此,全球金屬3D打印行業一直處在“模型制造”和展示階段,無法進入高端應用。
近日,華中科技大學張海鷗教授破解了困擾金屬3D(三維)打印的世界級技術難題,其研發的“智能微鑄鍛銑復合制造技術”實現了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新,并與法國空客公司舉行了技術合作簽約儀式。
張海鷗表示:“我們的技術將在先進制造領域掀起新一輪的革命。”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打印技術上已經由“跟跑”開始進入“領跑”階段。
將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,改變西方引領的制造模式
2002年,張海鷗開始主攻金屬3D打印,14年之后,2016年7月,張海鷗團隊創造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一,成功制造出世界首批3D打印鍛件,實現3D打印鍛態等軸細晶化、高均勻致密度、高強韌、形狀復雜的金屬鍛件,全面提高了制件強度、韌性、疲勞壽命及可靠性,降低設備投資和原材料成本,大幅縮短制造流程與周期,全面解決常規3D打印成本高、工時長,打印不出經久耐用材質的世界性難題。
專家表示,這項技術改變了長期以來由西方引領的“鑄鍛銑分離”的傳統制造歷史,將開啟實驗室制造大型機械的歷史。
攻克傳統技術難題,推動金屬3D打印制件進入高端應用
目前由“智能微鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件,已達到2.2米長約260公斤?,F有設備已打印飛機用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等8種金屬材料,是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材制造技術裝備。
常規3D打印金屬零件的過程是打印算一層,鑄造算一層,鍛壓又一層,三者要分開依次進行,即前一個步驟完了,后一個步驟方可進行,中間還要騰出金屬冷卻的時間”。張海鷗介紹,智能微鑄鍛技術可以同時進行上述步驟,打印完成了,鑄鍛也就同時完成了。
這種新方法制件強度和塑性等性能及均勻性顯著高于自由增材成形,并超過鍛件水平,將為航空航天高性能關鍵部件的制造提供我國獨創國際領先的高效率、短流程、低成本、綠色智能制造的前瞻性技術支持。
從“跟跑”到“領跑”,為先進制造業帶來深刻的技術變革
張海鷗介紹,我國3D打印產業一直處于“跟跑”階段,與發達國家相比,我國3D打印產業大多停留在科研層面。要擺脫“跟跑”的尷尬,必須創新。
十幾年前,金屬3D打印做出的制件非常粗糙,經過后期機械加工后才能當做零件使用,而要打印復雜制件,則幾乎不可能實現。張海鷗帶領團隊反復實驗,在金屬3D打印中加入了銑削環節,邊打印邊進行機械加工,攻克了此項難題,獲得國家發明專利。
在我國研制的新型戰斗機上,一種新型復雜鈦合金接頭的制造已經開始和張海鷗團隊合作,用該技術打印出來的鈦合金抗拉強度、屈服強度、塑性、沖擊韌性均超過傳統鍛件。
目前,該技術正在西航動力公司、西安飛機制造公司等新產品開發中應用,已經試制了高溫合金雙扭葉輪、鋁硅合金熱壓泵體、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、轎車翼子板沖壓成形FGM模具等,應用前景廣闊。
資料來源于科學網。
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