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金屬3D打印“微鑄鍛”喜獲湖北省技術(shù)發(fā)明獎一等獎 

2020-06-15 07:42
        湖北省科學技術(shù)獎勵由湖北省人民政府組織授予,為深入實施創(chuàng)新驅(qū)動戰(zhàn)略,建設(shè)創(chuàng)新強省,獎勵為湖北省科技事業(yè)進步、經(jīng)濟社會發(fā)展作出突出貢獻的科學技術(shù)人員和組織。此次獎勵大會以視頻會議的形式于6月12日在洪山禮堂舉行,獲獎人員在線上接受“云頒獎”。
        前不久,該團隊研發(fā)的“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術(shù)與裝備”提名2020年度國家技術(shù)發(fā)明獎一等獎。
        金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)由張海鷗團隊潛心攻關(guān)近20年,在國際上首次實現(xiàn)了多自由度協(xié)同、組織性能優(yōu)異、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的微鑄鍛同步復合增材制造,有力支撐了我國大型高端裝備自主創(chuàng)新,有望引領(lǐng)短流程制造技術(shù)革命和傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型升級。
        在湖北省技術(shù)發(fā)明獎一等獎的頒獎評語中寫道:“該技術(shù)在技術(shù)原理、工藝及裝備等方面取得突出創(chuàng)新,在國內(nèi)外首次研制成功微鑄鍛合一裝備,獲得20余項專利等多項創(chuàng)新性成果,整體技術(shù)居于國際領(lǐng)先水平?!?/div>
        張海鷗認為,科學的重大發(fā)現(xiàn)將顯著改變?nèi)祟惖乃枷胗^念,技術(shù)的重大發(fā)明將改變?nèi)祟惖纳詈蜕a(chǎn)方式。如今,科研基礎(chǔ)條件大大改善,大力發(fā)展原創(chuàng)技術(shù)、實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用正當其時。
        “金屬3D打印‘微鑄鍛’顛覆了國內(nèi)外傳統(tǒng)機械制造工藝流程和裝備,有望結(jié)束傳統(tǒng)重工業(yè)制造方式,破解了復雜大型零件制造的‘卡脖難題’,將‘臟、重、險’的傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式變?yōu)椤疂?、輕、安’的美好生產(chǎn)方式。有望開辟中國領(lǐng)先于世界水平的綠色制造新時代?!睆埡zt說。

        金屬3D打印“微鑄鍛”實現(xiàn)首臺世界最大鍛件的3D打印裝備
        高強韌高可靠鍛件的高品質(zhì)短流程綠色制造技術(shù)是各強國可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點。一百多年來,世界制造業(yè)一直采用鑄-鍛-熱-削多工序分步、長流程、大型鍛機、重污染模式制造鍛件,大型復雜件受限于鍛機可鍛面積,無法整體鍛造,只能分塊鍛后拼焊,可靠性降低。新興的增材制造技術(shù)(3D打印技術(shù))有鑄無鍛,疲勞性能不及鍛件。
        2000年初,張海鷗與王桂蘭夫婦二人便開始踏上金屬3D打印事業(yè)的漫漫征途。2009年,張海鷗開始構(gòu)想如何讓金屬3D打印制件具備鍛件性能,使之能應(yīng)用于高端領(lǐng)域?!爱敃r,很多同行在這里受阻或認可了3D打印不能打印鍛件的論斷?!睆埡zt偏偏要去挑戰(zhàn)這樣一個大家都覺得不能完成的事。
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        (生產(chǎn)現(xiàn)場的張海鷗、王桂蘭夫婦)
        經(jīng)過無數(shù)次磨難與失敗,2016年,張海鷗團隊終于研發(fā)出首臺世界最大鍛件的3D打印裝備,該裝備突破了“鑄鍛同步、控形控性、缺陷監(jiān)測、自主修復”等難題,研制出世界最大鍛件(16m2)的3D打印短流程制造裝備,并打印出全球第一批鍛件:鐵路關(guān)鍵部件轍叉與重載超長導軌、C919承力件、超高壓耐蝕高精度異型殼體。
        “我們將原先需要8萬噸力才能完成的動作,降低到八萬分之一,也就是不到1噸的力即可完成,節(jié)能高達90%?!睆埡zt說,“經(jīng)過驗證,鍛件疲勞壽命超過國際航空鍛件水平,且成形效率為國外頂級水平的3倍?!?/div>
        原航空航天工業(yè)部部長林宗棠表示,這種新方法制件“將為航空航天高性能關(guān)鍵部件的制造提供我國獨創(chuàng)國際領(lǐng)先的高效率、短流程、低成本、綠色智能制造的前瞻性技術(shù)支持?!?/div>
        金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)為大型螺旋槳制造提供“中國方案”
        金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)不僅在“上天”的航空航天關(guān)鍵部件制造中大有可為,在“入?!钡拇皾撏е圃熘型瑯佑杏梦渲亍?/div>
        艦船用螺旋槳葉的傳統(tǒng)制造技術(shù)主要有鑄造、焊接。對于制造技術(shù)而言,大型和超大型螺旋槳鑄造工藝繁瑣,鑄造流程復雜;此外,傳統(tǒng)螺旋槳多使用銅合金,由于槳葉厚度大,不僅易產(chǎn)生大噪音,而且制約推進速度。
        使用金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)制造大型螺旋槳葉,將自動化焊接技術(shù)、多軸聯(lián)動數(shù)控加工技術(shù)復合,同時使用微鑄鍛技術(shù),在微區(qū)鑄造的基礎(chǔ)上,加入微區(qū)鍛造,能夠優(yōu)化材料的綜合機械性能。經(jīng)綜合檢驗,已進入規(guī)?;a(chǎn)及實際應(yīng)用階段。
        王桂蘭教授介紹:“攻克了大型艦船用螺旋槳的制造難題后,我們相繼“啃下”了大型超高壓泵及高低頻重載復雜鍛件制造的“硬骨頭”,為船舶和核電等提供更為強勁、穩(wěn)定的‘中國動力’?!?/div>
        2016年以來,張海鷗團隊利用金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)為合作單位研制多種推進器和動載承力的關(guān)鍵部件。
        
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        (泵噴推進器示意圖,圖源網(wǎng)絡(luò))
        船舶行業(yè)是大國崛起和綜合國力的重要標志。張海鷗介紹,近年來,中國已經(jīng)成為全球最重要的造船中心之一。作為長江經(jīng)濟帶和長江中游城市群重要省份,湖北是內(nèi)陸重要的船舶工業(yè)基地,船舶推進產(chǎn)品核心零部件市場需求巨大。 其中,對直接快速成形、縮短制造周期、高效低成本和一體化構(gòu)件的制造更是存在迫切需求。
        利用金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù),完全改變了傳統(tǒng)機械制造長期依賴巨型鍛機、長流程重污染的模式,不僅破解了在復雜曲面構(gòu)建上同時進行打印增材、等材變形與銑削減材在同一裝備上集成制造的“卡脖難題”,也將過去必須由工業(yè)“大象”完成的任務(wù),輕松交由智能化的工業(yè)“螞蟻”操作完成。

        把高端制造的核心技術(shù)掌握在自己手里
        2018年總書記在中科院工程院大會上強調(diào),關(guān)鍵核心技術(shù)是要不來、買不來、討不來的。只有把關(guān)鍵核心技術(shù)掌握在自己手中,才能從根本上保障國家經(jīng)濟安全、國防安全和其他安全。
        金屬3D打印“微鑄鍛”技術(shù)破解了復雜大型零件制造的“卡脖難題”,對國之重器的自主創(chuàng)新意義重大。相關(guān)產(chǎn)品已應(yīng)用于大型飛機、航空發(fā)動機、燃氣輪機、航天、船舶、先進軌道交通、核電等多個大國重器的裝備制造領(lǐng)域。
        “未來隨著各種新金屬材料的出現(xiàn),我們將進一步拓展適用增材制造的金屬材料性能數(shù)據(jù)庫;隨著先進高端裝備研制領(lǐng)域?qū)Ω咝阅芰慵男略O(shè)計和新材料要求,我們還將致力于研制出更多高強韌、高疲勞壽命、輕量化零件的專用制造工藝與裝備,確保將高端制造的核心技術(shù)牢牢掌握在自己手里?!睆埡zt介紹。
        “面對日趨激烈、關(guān)乎國運的世界高新科技競爭,搶占制高點,布局于長遠,是我們作為當代中國科學家的時代擔當。此次獲得湖北省發(fā)明獎一等獎代表了業(yè)界對我們的肯定,這是一個新的起點。這個起點鼓舞著我們繼續(xù)弘揚新時代科學家精神,只爭朝夕、不負韶華,為實現(xiàn)‘中國打印’而努力奮斗!”張海鷗鏗鏘有力地說。
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