1、概述

張海鷗教授發(fā)明的金屬3D打印技術(shù)“智能微鑄鍛銑”，在3D打印中同步復(fù)合鍛打技術(shù)，成功應(yīng)用一臺(tái)設(shè)備，短流程輕載荷綠色制造出鍛件，改變了國內(nèi)外鑄鍛焊銑分離、流程長、需大型鑄鍛削設(shè)備、耗資源重污染、復(fù)雜件無法整體制造的傳統(tǒng)制造模式；突破了3D打印無鍛造而難得鍛件的世界難題。

我國高端裝備的快速研發(fā)生產(chǎn)，急需大型高端零件整體制造技術(shù)。“智能微鑄鍛銑”方法，以電弧增材與連續(xù)等材微鍛及熱處理同步復(fù)合并融合減材銑削新思想，獨(dú)創(chuàng)緊湊柔性機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了增-等-減材與調(diào)質(zhì)集成制造；提出磁-電-光-力多能場(chǎng)多尺度混態(tài)成形模擬方法，揭示超常態(tài)應(yīng)力變形和組織演變規(guī)律，建立形性并行設(shè)計(jì)-制造-測(cè)控集成智能系統(tǒng)，創(chuàng)立了中國領(lǐng)先世界的鑄鍛銑一體化超短流程綠色智能制造新模式與裝備。

成功制造難焊接中碳鋼發(fā)動(dòng)機(jī)過渡段并通過烏克蘭標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量檢測(cè)和實(shí)機(jī)考核；美國GE公司測(cè)試GH4169高溫合金疲勞性能超過鍛件；發(fā)明被Wohlers Report 2017報(bào)道，獲日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎(jiǎng)、中國發(fā)明特別獎(jiǎng)，以及中國和美國發(fā)明專利。

2、項(xiàng)目特色

發(fā)明了增材與多向微區(qū)半固態(tài)等材鍛造同步復(fù)合并融合減材銑削的超短流程綠色智能制造新方法與裝備，成功突破3D打印不能打印鍛件而難以在大型高端鍛件中工程應(yīng)用的世界難題，將引領(lǐng)高端制造業(yè)向綠色智能化方向發(fā)展，助力傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3、創(chuàng)新點(diǎn)

（1）發(fā)明了高效低成本電弧微鑄鍛同步復(fù)合制造高端金屬零件的方法，實(shí)現(xiàn)鑄鍛合一、邊鑄邊鍛3D打印出傳統(tǒng)鍛造無法得到的12級(jí)超細(xì)等軸晶復(fù)雜形狀鍛件，攻克了3D打印有鑄無鍛不能打印鍛件的世界難題。該方法綜合了增材成形與半固態(tài)連續(xù)鑄鍛兩項(xiàng)重大先進(jìn)制造技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高性能零件的形狀尺寸與組織性能一體化創(chuàng)成即創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行制造，是我國獨(dú)創(chuàng)、國際領(lǐng)先的高端金屬零件3D打印增材制造技術(shù)。

（2）實(shí)現(xiàn)了用一臺(tái)“智能微鑄鍛銑”設(shè)備超短流程綠色智能制造鍛件，突破了傳統(tǒng)鑄鍛焊銑多工序分離制造模式依賴巨型鍛機(jī)、流程很長、耗能耗材重污染、復(fù)雜零件無法整體制造的另一世界難題，變革了國內(nèi)外傳統(tǒng)制造模式，實(shí)現(xiàn)了鑄鍛銑合一制造全過程數(shù)字信息化，創(chuàng)立了超短流程綠色智能制造中國模式，引領(lǐng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

（3）以獨(dú)創(chuàng)的緊湊柔性機(jī)器手和智能化技術(shù)，融合電弧高效低成本增材成形、半固態(tài)等材成形、銑削減材成形技術(shù)，將成形與隨動(dòng)局部控制形變熱處理一體化；施加微區(qū)連續(xù)鍛造力能使熔積自由成形的半凝固/剛凝固區(qū)產(chǎn)生黏塑性變形，既可減輕或消除拉應(yīng)力、防止開裂與變形，又可改善組織，減小各向異性和組織性能的不均勻性，實(shí)現(xiàn)形性共控，為高端裝備關(guān)鍵金屬部件的優(yōu)質(zhì)高效低成本制造提供核心關(guān)鍵技術(shù)支撐，具有重大的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。

（4）提出采用LB-CA法與CIP-HM（Homogenization Method）連成的宏細(xì)觀耦合跨尺度方法，模擬分析新工藝成形過程中電磁-熱力-機(jī)械力耦合復(fù)合場(chǎng)作用下傳質(zhì)、傳熱、相變和變形過程，把握移動(dòng)熱源和剛-柔性約束的熱力循環(huán)條件下的制件熱應(yīng)力變形和組織演變與控制規(guī)律，建立高端部件形與質(zhì)主動(dòng)并行控制的成形路徑-熔積能量-塑性加工三位一體MBD智能制造系統(tǒng)。

綜上形成以下優(yōu)勢(shì)：

（1）邊鑄邊鍛。得到12級(jí)“超細(xì)等軸晶”，而傳統(tǒng)鍛造只能得到7~8級(jí)“等軸晶”。

（2）超短流程。將鑄鍛焊削多制造單元集成為一個(gè)制造單元，可同時(shí)控制零件形狀和性能，縮短研制周期60%。

（3）高效低成本。雙絲熔積速率快達(dá)30-40kg/h，不用巨型鍛機(jī)，金屬絲價(jià)格約為激光打印粉材的1/5，同功率電弧價(jià)格是進(jìn)口激光器的1/10。

（4）綠色制造。變革耗資源重污染方式，開啟中國領(lǐng)先于世界水平的綠色制造新時(shí)代。

4、標(biāo)志性成果

（1） 制造出大型高性能鍛件：應(yīng)用于成都鐵路局委托的鐵路最關(guān)鍵部件2.4米超高強(qiáng)韌轍叉的制造，創(chuàng)制出12級(jí)超細(xì)等軸晶鍛件，沖擊韌性達(dá)到單一電弧增材成形的3倍以上并超過傳統(tǒng)鍛件水平；應(yīng)用于西安航空動(dòng)力股份有限公司委托的發(fā)動(dòng)機(jī)過渡段制造，通過發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)實(shí)際裝機(jī)測(cè)試，鑒定專家組認(rèn)為，這種新方法制造零件“強(qiáng)度和塑性等性能及均勻性顯著高于自由增材成形，并超過鍛件水平，冶金質(zhì)量達(dá)到烏克蘭航空發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)”，“將為航空航天高性能關(guān)鍵部件的制造提供我國獨(dú)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”。

（2）增材成形高溫合金疲勞壽命達(dá)到世界先進(jìn)水平：美國GE公司測(cè)試了本團(tuán)隊(duì)微鑄鍛復(fù)合技術(shù)與裝備制備的高溫合金GH4169樣件疲勞性能：全部超過GE鍛件水平且大部分超過其平均值，大幅優(yōu)于國際著名EOS公司激光成形樣件水平，處于世界前列。

（3） 國際發(fā)明技術(shù)引領(lǐng)：2017年被國際3D打印行業(yè)最權(quán)威的Wohlers Report 2017報(bào)道：本團(tuán)隊(duì)發(fā)明了微鑄鍛銑復(fù)合增材制造高端金屬鍛件的方法；已獲得中國發(fā)明專利（ZL201010147632.2）和美國發(fā)明專利（US 9302338B2）授權(quán)。在知識(shí)產(chǎn)權(quán)、成形工藝原理、裝備緊湊靈活性方面，均領(lǐng)先于歐洲著名的CRANFIELD大學(xué)28個(gè)合作伙伴團(tuán)隊(duì)研發(fā)的熔積—冷軋分離增材制造技術(shù)與裝備。

（4） 超細(xì)等軸晶機(jī)理：建立了電-磁-熱-力多能場(chǎng)復(fù)合、固-液-氣混態(tài)超常態(tài)快速成形過程模擬數(shù)學(xué)模型，提出HM-LEVEL SET – CA耦合的宏細(xì)觀跨尺度模擬方法，揭示了微鑄鍛復(fù)合增材制造創(chuàng)制12級(jí)超細(xì)等軸晶、顯著降低殘余應(yīng)力提高疲勞壽命的機(jī)理，拓展了短流程綠色智能制造的科學(xué)理論與方法。

（5）發(fā)明變胞靈巧手：發(fā)明變胞靈巧手實(shí)現(xiàn)了增材成形微區(qū)半固態(tài)黏塑性加工，發(fā)展了變胞機(jī)器人理論，拓展了變胞機(jī)器人的工程應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)表了高水平學(xué)術(shù)論文。

（6） 理想梯度零件數(shù)字建模方法：提出了面向復(fù)雜使役性能和直接增材制造過程成形性的非線性復(fù)雜梯度源多功能理想零件的數(shù)字建模方法，開發(fā)了復(fù)雜形狀多功能零件曲面分層與自適應(yīng)路徑規(guī)劃軟件，獲得軟件著作權(quán)，可為高性能新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)重件的快速研制與低成本制造提供自主創(chuàng)新型關(guān)鍵技術(shù)支撐。

（7）疲勞損傷機(jī)理：基于同步輻射大科學(xué)裝置，研制出填補(bǔ)國內(nèi)空白、世界先進(jìn)的三維原位成像疲勞試驗(yàn)機(jī)，率先開展增材制造鈦合金、高溫合金的缺陷限度和疲勞壽命預(yù)測(cè)研究，提出3D打印部件內(nèi)部缺陷表征和評(píng)估的一致性方法。

（8）獲2017年日內(nèi)瓦國際發(fā)明獎(jiǎng)和中國發(fā)明協(xié)會(huì)特別獎(jiǎng)。

以上重大創(chuàng)新成果將建立超短流程綠色智能制造中國模式，為我國高端裝備關(guān)鍵部件快速低成本研發(fā)制造，帶動(dòng)航空航天、能源、海工等相關(guān)產(chǎn)業(yè)高端裝備實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展提供引領(lǐng)性原創(chuàng)技術(shù)支持，成為中國超越西方和“中國制造2025”的標(biāo)桿性成果。