2019年7月,张海鸥团队研发出微铸锻同步复合设备,并打印出全球第一批锻件:铁路关键部件辙叉和航空发动机重要部件过渡锻。专家表示,这种新方法制件“强度和塑性等性能及均匀性显著高于自由增材成形,并超过锻件水平”,“将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的前瞻性技术支持。”

专家表示,这项技术改变了长期以来由西方引领的“铸锻铣分离”的传统制造历史,将开启实验室制造大型机械的历史。

反复实验、不断试错之后,研究方向愈加清晰。2019年,大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生,验证了在金属3D打印中复合锻打的可行性。

铸锻一体化3D打印技术发布后,国外航空工业巨头纷纷上门洽谈合作。据介绍,美国通用公司不久前巨资收购了德国和瑞典两家3D打印公司,但对于许多需要锻造性能的大中型承力构件仍无能为力,而张海鸥团队的研究成果可弥补这个缺陷。

 

“常规3D打印金属零件的过程是打印算一层,铸造算一层,锻压又一层,三者要分开依次进行,即前一个步骤完了,后一个步骤方可进行,中间还要腾出金属冷却的时间”。张海鸥介绍,智能微铸锻技术可以同时进行上述步骤,打印完成了,铸锻也就同时完成了。

选择铸锻合一的方向是更大的创新。“他首次跟我提出‘铸锻铣一体化’构想时,我认为是异想天开,两人为此进行了激烈的争吵。”王桂兰说,很多时候,创新是在夫妇俩的争吵中产生的。

据介绍,在传统机械制造中,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、能耗大、污染和浪费严重的问题。正因如此,金属3D打印技术因能解决以上弊病而成为前沿性的先进制造技术。作为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力,目前已经在航空航天、医疗、汽车等领域开始获得大规模应用。

十几年前,金属3D打印做出的制件非常粗糙,经过后期机械加工后才能当做零件使用,而要打印复杂制件,则几乎不可能实现。张海鸥带领团队反复实验,在金属3D打印中加入了铣削环节,边打印边进行机械加工,攻克了此项难题,获得国家发明专利。

“当时国内外的金属3D打印主要以激光、电子束为热源,我们想降低成本,就选择了等离子束为热源,发现效率很高。”张海鸥介绍,等离子和激光做热源都是通过高能束来熔化金属粉末,制造金属模具,但两者的发生装置和加工方式不同,等离子具有成本低、成形率高等优点。

北京工业大学教授陈继民认为,张海鸥发明的技术在航空航天、核电、舰船、高铁等重点支柱领域的应用前景广阔,比如对于长寿命、高可靠性的航空发动机关键部件的制造有显著优势。

目前,根据空客公司对飞机零部件的需求,张海鸥团队正在进行研发,“一旦继续获得认可,我们将赢得空客的零部件生产的订单,同时还可能获得更多国际民用航空巨头的青睐。”张海鸥说。

将金属铸造、锻压技术合二为一,改变西方引领的制造模式

在我国研制的新型战斗机上,一种新型复杂钛合金接头的制造也已经开始和张海鸥团队合作,用该技术打印出来的钛合金抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性均超过传统锻件。