項目：高端鍛件微鑄鍛復(fù)合增材制造
人員：張海鷗
華中科技大學博士生導師
數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室金屬3D打印學術(shù)帶頭人
中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟學術(shù)委員會委員
武漢天昱智能制造有限公司首席科學家。

發(fā)明背景

   大家知道古代寶劍、現(xiàn)代飛機框梁、發(fā)動機渦輪盤均為鍛件，自古以來先鑄后鍛，形狀和質(zhì)量性能是分布的完成的，目前這項技術(shù)無法整體制造，復(fù)雜的高端鍛件，從我們國家重大需求和背景來看，航空發(fā)動機、大飛機、動力平臺都是國家重大裝備重大需求，這種裝備要求高可靠性、輕量化，高端鍛件需要高強韌、高疲勞壽命，這樣鍛件年需求大于2000億元，目前90%以上依賴進口，起落架訂貨周期長達3年，價格昂貴。
   對于這樣一些高端鍛件采用傳統(tǒng)制造技術(shù)局限在于，首先流程和周期很長，因為它有很多的工序且分散。而且一直以來多種大型裝備，成品率不高，因為成形不均勻性。成功率不高，另外采用大型鍛壓機昂貴，另外能耗和材料損耗比較高，這種過程是重污染的。產(chǎn)品適應(yīng)性比較差，因為它的形狀是由鑄造品質(zhì)是由鍛造分別獲得，這種技術(shù)由于加工技術(shù)限制無法整體制造復(fù)雜形狀或者梯度材料的零件。
   現(xiàn)在增材制造技術(shù)是一種短流程的制造技術(shù)，但是由于它在制造過程當中沒有經(jīng)過熱鍛加工，組織多為各項異性缺陷，性能不高不均勻，難以避免，難以得到強韌性的鍛件。另外采用逐點堆積成形的效率不高，多采用粉末及大功率激光束、電子束導致成本巨高。
   重大的難題是傳統(tǒng)技術(shù)無法短流程整體制造復(fù)雜鍛件，增材制造技術(shù)又難以制造高疲勞壽命鍛件，所以一個重大的挑戰(zhàn)就是能否發(fā)明高疲勞壽命高端鍛件短流程整體制造技術(shù)。
   張海鷗是1998年從日本到華中科技大學，經(jīng)過近20年的努力奮斗，在這樣一個技術(shù)上經(jīng)過了20年的發(fā)明歷程。目前來看復(fù)合增材制造技術(shù)應(yīng)該是先進制造技術(shù)，包括增材制造發(fā)展前沿。武漢天昱智能公司，在采用電弧、塑性加工、數(shù)控加工這方面做出了自己應(yīng)有的貢獻。其中也得到了國家大力支持，突破我國高端裝備自主創(chuàng)新能力弱的瓶頸。

主要發(fā)明點：

   原理上進行創(chuàng)新，基于非平衡加熱凝固與辦固態(tài)變形再結(jié)晶熱力學過程宏微觀機理研究，發(fā)明鑄鍛同步、融合銑削的超短流程，復(fù)雜形狀與高性能并行創(chuàng)制的新方法。
   工藝變革，發(fā)明時空可控多能場復(fù)合作用鑄鍛調(diào)質(zhì)一體化，創(chuàng)新均勻鍛態(tài)等軸習晶大型整體復(fù)雜鍛件的新工藝。裝備發(fā)明，發(fā)明緊湊變報微鍛機構(gòu)、形貌缺陷原位檢測及修復(fù)系統(tǒng)集成新裝備，實現(xiàn)復(fù)雜鍛件高可靠性。
具體的發(fā)明點：

●鑄鍛合一制造高端鍛件新方法。

●電弧熔絲形成熔池，微鍛機構(gòu)對其剛凝固區(qū)趁熱連續(xù)鍛壓，鑄鍛合一獲均勻致密鍛態(tài)組織性能。 

●微鍛造銑符合無缺陷制造，原位檢測，發(fā)現(xiàn)缺陷在線銑去，實現(xiàn)增材微鑄——等材微鍛——調(diào)質(zhì)處理同步，同工位融合減材銑削無缺陷制造。

   首先進行拓撲優(yōu)化，然后進行路徑優(yōu)化，實現(xiàn)新的智能路徑規(guī)劃。通過鑄鍛機構(gòu)進行控制成形，在過程當中進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)缺陷修復(fù)，最后進行微鑄鍛多軸協(xié)同形成加工，最后得到高端的零件。
    通過模擬研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)復(fù)合成形使自由成形可以減少破裂的傾向。
發(fā)明點二：高端鍛件的鑄鍛符合制造新工藝，邊鑄邊鍛，趁熱鍛造實現(xiàn)動態(tài)再結(jié)晶從而獲得超細等軸晶，發(fā)明一系列材料微鑄鍛形成新工藝，這個圖可以看到最左邊是一種鑄鈦組織，中間是傳統(tǒng)鍛造等軸晶，最右邊得到均勻、細小12級超細等軸晶，這樣實現(xiàn)了高端鍛件組織性能。
   奧貝鋼，右邊是微鑄鍛復(fù)合未處理的組織狀態(tài)，還沒有進行熱處理它的塑性和韌性均優(yōu)于鍛件，沖擊韌性是單一待磨成形3倍以上。
   高溫合金，微鑄鍛復(fù)合，控制扎制壓力和微鍛溫度，得到的組織。最左邊是單一的組織，中間是傳統(tǒng)鍛造組織，右邊是微鑄鍛混合組織。通過和鍛造的比較，在強度、塑性、伸長率、收縮率、沖擊韌性方面均遠高于傳統(tǒng)鍛造。
    鈦合金，晶粒粗大、等軸晶，通過微鑄鍛復(fù)合，強度以及塑性、韌性要大于高于傳統(tǒng)鍛造。
微鑄鍛銑合一超短流制造新裝備。發(fā)明靈巧微鍛機構(gòu)，同步作用于熔基，實現(xiàn)用不到噸小的壓力微鍛，與8萬噸的鍛壓效果相當。其中進行元位檢測與修復(fù)，發(fā)明超聲與渦流復(fù)合原位檢測裝置，發(fā)現(xiàn)后去除修復(fù)，來實現(xiàn)無缺陷。另外進行動態(tài)規(guī)劃，開發(fā)在線的動態(tài)成形路徑規(guī)劃系統(tǒng)，保證少余量精確成形。這是低成本的要求。
   通過以上裝置集成，研制出世界首臺微鑄鍛銑合一超短流程制造大型制造裝備，加工電高微鍛，實現(xiàn)了用一臺裝備超短流程直接制造高端鍛件創(chuàng)新創(chuàng)造發(fā)明。這是我們的裝備，右邊是全封閉實現(xiàn)鈦合金成形的裝備。
   這是我們獲得的知識產(chǎn)權(quán)以及論文的研究。這是美國Wohlers增材制造國際權(quán)威報道2017年的報告，本團隊發(fā)明了鑄鍛銑工藝。這是著名雜志明確指出，本團隊微鑄鍛鍛軋原位同步符復(fù)合制造技術(shù)是我們團隊首創(chuàng)，不同于英國Cranfield大學電弧增才冷軋分布進行技術(shù)。
   另外在鈦合金典型工藝所得斷裂韌度的對比，平均斷裂韌度優(yōu)于傳統(tǒng)國內(nèi)外常規(guī)增才工藝，優(yōu)于傳統(tǒng)鍛件。損傷容限，比傳統(tǒng)降低了一個數(shù)量級。這是GE公司檢測報告，性能超過GE公司鍛件指標，由于其他制造著名機構(gòu)樣件指標。