张海鸥教授研发的“微铸锻”金属3D打印获再突破性进展

3D打印快讯
2020
07/14
11:06
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据南极熊了解,近日,由该团队历时十余年研发的金属3D打印“微铸锻”技术相继成功应用于大型泵喷推进器桨叶、新型高炉风口等大型复杂零件及高端材料制造中,充分证明了金属3D打印“微铸锻”这一原创短流程绿色制造技术的巨大市场潜力和广泛应用前景。
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(生产现场的张海鸥、王桂兰教授夫妇)
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(微铸锻同步制造设备)

金属3D打印“微铸锻”技术破解复杂大型零件制造“卡脖难题”
金属3D打印“微铸锻”技术一次性制造成功大型泵喷推进器桨叶,该桨叶选用不锈钢316L原材料,成型尺寸达到直径0.6米、高度1米,总重量160千克,破解了在复杂曲面构建上同时进行打印增材、等材变形与铣削减材在同一装备上集成制造的“卡脖难题”。

泵喷推进器主要应用于潜艇军事、船舶重工等领域,是船舶航行的重要动力装置。通过金属3D打印“微铸锻”技术制造成功的大型泵喷推进器桨叶通过验收与测试,制造周期相比传统方式缩短了2/3,构件的力学性能得到了大幅度提升,制造精度差由以前的0.5mm提高到0.1mm,没有检测到铸造缺陷如气孔、裂纹等。
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(泵喷推进器示意图,图源网络)
“我们将原先需要8万吨力才能完成的动作,降低到八万分之一,也就是不到1吨的力即可完成,同时一台设备完成了过去诸多大型设备才能完成的工作,绿色又高效。”张海鸥介绍。

生产设备功率只需50千瓦,单位时间能耗为巨型压机的千分之二,金属3D打印“微铸锻”完全改变了传统机械制造长期依赖巨型锻机、长流程重污染的模式,不仅突破了现有3D打印金属零件疲劳性能和可靠性难及锻件的“卡脖”难题,也将过去必须由工业“大象”完成的任务,轻松交由智能化的工业“蚂蚁”操作完成。
“金属3D打印“微铸锻”不仅实现了大型泵喷推进器桨叶绿色高效的短制造流程,还显著提高了材料的疲劳寿命和可靠性,为船舶航行提供更为强劲、稳定的“中国动力”张海鸥介绍。
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(张海鸥团队研发人员进行设备调试)
金属3D打印“微铸锻”技术是高端材料制造升级“杀手锏”
金属3D打印“微铸锻”技术还在近日由中国宝武武钢集团有限公司(简称“武钢”)成功应用于高炉风口制造,经检验,该新型高炉风口耐磨性大幅提高,抗热震性能远优于传统等离子喷涂工艺,风口使用寿命较传统方法提高5倍以上,产生了重大经济效益。

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(高炉风口强化前后形貌对比)

武钢副总经理、原炼铁厂厂长陆隆文介绍,因为新型梯度功能复合材料“高炉风口”的使用寿命长,大大减少了停炉更换风口的时间,有效提高了设备利用率和生产效率,经济效益显著。经初步估算,使用寿命较传统产品提高5倍以上,节约的风口购置成本及更换导致的停炉效益共计约3027万元。

高强韧高可靠锻件是高端装备在恶劣工况下顺利运行的根本保证,其高品质短流程绿色制造技术是各强国可持续发展的战略制高点。在航天航空领域,高端零件的工况同样十分恶劣,需要极高的耐腐蚀性和耐热性,这与高炉风口的工况有一定类似性。
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“高炉风口的成功验证了“微铸锻”技术制造的零件完全可以满足这些要求。包括航天航空在内这样的“尖板眼”制造领域,金属3D打印“微铸锻”技术同样可以大派用场。”

张海鸥介绍,该技术不仅举重若轻地实现了短流程绿色制造,还大幅提高了制件的强度和韧性,提高了构件的疲劳寿命和可靠性,可实现梯度材料、高温合金及超高强度钢等难成形材料的高品质制造,广泛应用于航空航天、能源、舰船等领域的高强韧可靠性锻件制造,接受各种极端环境的严苛考验。

金属3D打印“微铸锻”喜获湖北省技术发明奖一等奖
今年6月,金属微铸锻同步复合增材制造技术与装备获得2019年度湖北省技术发明奖一等奖。在湖北省技术发明奖一等奖的颁奖评语中写道:“该技术在技术原理、工艺及装备等方面取得突出创新,在国内外首次研制成功微铸锻合一装备,获得20余项专利等多项创新性成果,整体技术居于国际领先水平。”
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(张老海鸥教授接受电视台采访)
张海鸥认为,科学的重大发现将显著改变人类的思想观念,技术的重大发明将改变人类的生活和生产方式。如今,科研基础条件大大改善,大力发展原创技术、实现产业化应用正当其时。

“金属3D打印‘微铸锻’颠覆了国内外传统机械制造工艺流程和装备,有望结束传统重工业制造方式,破解了复杂大型零件制造的‘卡脖难题’,将‘脏、重、险’的传统工业生产方式变为‘洁、轻、安’的美好生产方式。有望开辟中国领先于世界水平的绿色制造新时代。”张海鸥说。

小科普:常规金属3D打印存在“卡脖”问题:一是没有经过锻造,金属抗疲劳性严重不足;二是制件性能不高,难免存在疏松、气孔和未熔合等缺陷;三是大都采用激光、电子束为热源,成本高昂。所以形成了中看不中用的尴尬局面。  正因如此,全球金属3D打印尽管在中小尺寸零部件制造中存在优势,但在大尺寸零件制造上无法和大型锻压机相比,因此无法进入大型复杂零件的高端应用。

针对金属3D打印中的世界性难题,张海鸥教授带领研究团队潜心攻关,经过二十年不懈努力,发明了“智能微铸锻”3D打印技术,创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一,实现了首超西方的边铸边锻的颠覆性原始创新。

张海鸥介绍,目前,国际前沿的金属3D打印过程是打印算一步,这一层打印完后,连续冷锻轧制算一步,二步要分开依次进行,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。

智能微铸锻技术可以同步进行上述步骤,打印完成了,铸锻也就同时完成了,熔积效率是前者的3倍。将原先需要8万吨力才能完成的动作,降低到八万分之一,也就是不到1吨的力即可完成,同时一台设备完成了过去诸多大型设备才能完成的工作,绿色又高效。

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