来源|中国机械工程学会
【导读】《中国制造2025》关键领域技术路线图对增材制造重点发展方向作出具体规划，强调要重点突破高性能大型关键零部件，以一系列原创技术。高效增材制造工艺及成套装备工程关键技术[J].华中科技大学张海鸥教授团队的颠覆性原始创新成果——“微铸锻铣一体化超短流程增材制造技术与装备”项目为国家战略提供了有力支撑，并为我国重大装备中的关键金属提供了有力支持。零部件自主制造工艺的探索具有重要的积极意义，开创了我国领先于世界的短流程、轻载、节能、节材、绿色制造的新时代。
近日，华中科技大学发布了《华中科技大学2017年重大学术进展》，“高端锻造微铸造、锻铣复合超短工艺”项目张海鸥教授牵头的《增材制造技术与装备》是8个入选项目。一（评选标准突出成果的原创性和所属学科的引领和推动作用）。以下是张海鸥教授对该项目的详细解读。
01
项目概述
张海鸥教授发明的金属3D打印技术“智能微铸锻铣”，同步3D打印中的复合锻造技术，成功应用一台设备生产出短流程、轻量化的绿色锻件负荷，改变国内外铸造技术。传统的锻、焊、铣分离制造模式，工艺流程长，铸锻设备大，资源消耗大，污染重，零件复杂，无法整体制造；突破了3D打印无锻造稀有的世界难题。
我国高端装备的快速研发和生产，迫切需要大型高端零部件的整体制造技术。 “智能微铸锻铣”方法采用电弧增材与连续等材微锻及热处理同步复合融合减材铣新理念，独创紧凑灵活的机构，实现加等减与调质一体化制造；提出了一种磁-电-光-功率多能场多尺度混合态成形模拟方法，揭示了超正应力变形和组织演化规律，建立了并行设计-制造-测控一体化形状智能系统和成型，开创了中国世界领先的铸锻系统铣削一体化超短流程绿色智能制造新模式和装备。
成功制造难焊中碳钢发动机过渡段，并通过乌克兰标准质检和实机试验；经美国GE测试，GH4169高温合金疲劳性能超过锻件；该发明被Wohlers Report 2017报道，并获得日内瓦国际发明展金奖、中国发明特别奖、中美发明专利。
02
项目特色
发明了增材和多向微区半固态等材料锻造与减材铣削同步结合的超短流程绿色智能制造新方法和装备，成功突破3D打印无法打印锻件和大型高端锻件难用工程化应用的世界难题，将引领高端制造业向绿色、智能化方向发展，助力传统产业转型升级。
03
创新
(1）发明了一种高效低成本圆弧微铸锻同步复合制造高端金属件的方法，实现了铸锻。超细等轴晶复杂形状锻件克服了3D打印锻件以铸不锻的世界难题，该方法结合了增材成型和半固态连铸锻造两大先进制造技术的优点，实现了高性能零件的形状、尺寸和组织性能的一体化是形状和质量的并行制造，是我国独创、世界领先的高端金属零件3D打印增材制造技术。
(2）单一的“智能微铸锻铣”设备超短流程绿色智能制造锻件突破了传统的铸、锻、焊多工序分离制造模式以巨型锻造机为依托、工艺流程长的铣、铣，改变了国内外传统的制造模式，实现了铸、锻、铣全过程的数字化信息化，创造了超短流程绿色智能制造中国模式，引领传统制造业转型升级。
(3）独创紧凑型柔性机械手和智能技术，集圆弧高效低成本增材成型、半固态等材料成型、铣削和切削成型技术于一体，结合成型和后续局部控制变形热处理一体化；在微区施加连续锻造力，可在无吸积成型的半凝固/刚凝固区引起粘塑性变形，不仅可以减少或消除拉应力，防止开裂变形，还可以改善结构，减少各向异性组织性能的不均匀性和不均匀性，实现形状和性能的共控，为高质量、高效率提供核心关键技术支撑高端装备关键金属部件的低成本制造，具有重要的理论意义和工程实用价值。
(4）提出了一种结合LB-CA法和CIP-HM(均质化法)的宏观介观耦合跨尺度方法来模拟分析成形过程中的电磁-热-机耦合复合场新工艺过程 在传质、传热、相变和变形过程的作用下，掌握运动热源和刚柔热循环条件下零件的热应力变形和组织演变及控制规律，建立形状和质量主动并联控制的高端零部件。形成路径-沉积-能量-塑性加工三位一体MBD智能制造系统。
综上，形成以下优势：
(1）在铸造和锻造的时候。可以得到12级的“超细等轴晶”，而传统锻造只能得到7~8级的“等轴晶”。
(2）超短流程。将铸造、锻造、焊接、切割等多个制造单元集成到一个制造单元中，可以同时控制零件的形状和性能，开发周期缩短60% .
(3）效率高，成本低。双丝熔敷速度快至30-40kg/h，无需巨型锻造机，金属丝价格约为国内金属丝的1/5激光打印粉，同等功率电弧的价格是进口激光的1/10。
(4）绿色制造。改变资源消耗和重污染的方式，开启中国引领世界的绿色制造新时代。
04
签名成就
(1）大型高性能锻件制造：应用于铁路最关键部件的制造2.成都铁路局委托的4米超高强度青蛙，创造12级超细等距蛙晶锻件，冲击韧性是单弧增材成形的3倍以上，超过传统锻件水平；应用于西'委托制造的发动机过渡段某航空动力有限公司，并通过发动机系统的实际安装试验，鉴定专家组认为，这种制造零件的新方法“强度和塑性等性能和均匀性明显高于无添加剂”成型，并超越锻件水平，冶金质量达到乌克兰航空发动机标准”，“将为我国高性能发动机制造提供国际原创性创新y 航空航天部件。领先的高效、短流程、低成本、前瞻性的绿色智能制造技术支撑。
(2）增材成型高温合金疲劳寿命达到世界先进水平：美国GE公司对团队微铸锻复合技术制备的高温合金GH4169样品进行疲劳性能测试，设备：均超过GE锻件水平且大部分超过平均值，远优于国际知名EOS公司激光成型样品水平，处于世界前列。
(3）国际发明技术领先：2017年被国际3D打印行业最权威的Wohlers Report 2017报道：团队发明了微铸锻铣复合增材制造方法高端金属锻件；发明专利（ZL2.2）和美国发明专利（US 9302338B2））。在知识产权、成型工艺原理、设备紧凑柔性方面，领先于欧洲著名的CRANFIELD大学。由28个合作伙伴团队研发的沉积-冷轧分离增材制造技术和设备。
(4）超细等轴晶粒的机理：电磁-热-机械多能场复合、固-液-气混合超常规快速成型过程模拟的数学模型SET-CA耦合的宏观-中尺度跨尺度模拟方法揭示了微铸锻复合增材制造形成12级超细等轴晶的机理，显着减少残余应力，提高疲劳寿命，拓展短流程绿色智能制造理论与方法的科学性。
(5）发明变质灵巧手：变质灵巧手的发明实现了增材成型微区的半固态粘塑性加工，发展了变质机器人理论，拓展了机器人的工程应用领域。变形机器人。发表高水平学术论文。
(6）理想梯度零件的数字化建模方法：针对直接增材制造过程中复杂的服役性能和成形性，提出了一种具有非线性复杂梯度源的多功能理想零件的数字化建模方法，以及一种复杂的形状多功能零件表面分层与自适应路径规划软件获得软件著作权，可为高性能新型航空发动机关键零部件的快速开发和低成本制造提供自主创新的关键技术支持。
(7）疲劳损伤机理：基于同步辐射大科学装置，研制出填补国内空白、世界先进的三维原位成像疲劳试验机，并率先在开展钛合金和高温合金的增材制造以限制缺陷和疲劳寿命预测研究渤海装备中成机械制造有限公司，并提出了一种一致的方法来表征和评估3D打印零件的内部缺陷。
(8）荣获2017年日内瓦国际发明奖和中国发明协会特别奖。
上述重大创新成果将树立超短流程绿色智能制造的中国模式，为我国高端装备关键零部件的快速、低成本研发制造提供引领，带动航空航天、能源、海洋工程等相关产业高端装备跨越式发展。原创技术支撑已成为中国超越西方和“中国制造2025”的标杆成果。
05
研发背景介绍
1998年，张海鸥教授和夫人王桂兰教授作为高端留学生，由日本东京大学的华中科技大学引进。经过两位教授、课题组教师和200余名硕士研究生近20年的努力，我们开创了高质量、高效率、低成本、短流程的绿色制造模式和技术路线在中国是创新的。以形（形）和质（质）并行制造为特点，以应用基础、关键技术、工程应用研究突破为基础。由教授、副教授、讲师、高级工程师、高级工程师组成，拥有国内外知名的科研团队和基地，研究生约60人。团队先后承担了数十项国防和国家重大重点项目，发明了微铸锻铣一体化超短流程制造技术等一系列具有重大学术意义和应用价值的高端制造技术和装备和设备。在权威和核心期刊上发表论文200余篇渤海装备中成机械制造有限公司，获得国内外发明专利20余项，在国际上产生了重要影响。
