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居里夫婦志趣相投、獻(xiàn)身科研的故事為人熟知，他們因放射性研究共同獲得諾貝爾獎(jiǎng)，更是科學(xué)界的一段佳話。而在華中科技大學(xué)也有這么一對(duì)夫妻教授，他們18年來(lái)從事著同樣的研究——鑄鍛銑一體化3D金屬打印，并成功制造出世界首批3D打印鍛件，近日在武漢召開(kāi)該成果發(fā)布會(huì)。

張海鷗和王桂蘭夫婦

據(jù)了解，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院張海鷗教授主導(dǎo)研發(fā)的這項(xiàng)金屬3D打印技術(shù)“智能微鑄鍛”，是在3D打印技術(shù)中加入了鍛打技術(shù)。對(duì)此，專(zhuān)家們認(rèn)為，該成果打破了3D打印行業(yè)存在的最大障礙，開(kāi)啟了人類(lèi)實(shí)驗(yàn)室制造大型機(jī)械的歷史，并將給全球機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)顛覆性創(chuàng)新。

據(jù)了解，3D打印作為一項(xiàng)前沿性的先進(jìn)制造技術(shù)，已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動(dòng)力。然而，常規(guī)3D打印不僅成本很貴，且工時(shí)很長(zhǎng)，還打印不出經(jīng)久耐用的材質(zhì)來(lái)，一直沒(méi)有得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展。全球3D打印行業(yè)一直處在“模型制造”和展示階段。

為解決這一世界性難題，張海鷗團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)十多年潛心攻關(guān)，獨(dú)立研制的微鑄鍛同步復(fù)合設(shè)備創(chuàng)造性地將已有千年歷史的人類(lèi)金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一，改變了長(zhǎng)期以來(lái)由西方引領(lǐng)的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史，實(shí)現(xiàn)了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新，大幅提高了制件強(qiáng)度和韌性，提高了構(gòu)件的疲勞壽命和可靠性。不僅能打印薄壁金屬零件，而且能打印出大壁厚差的金屬零件，省去了傳統(tǒng)巨型鍛壓機(jī)的成本，可通過(guò)計(jì)算機(jī)直接控制成形路徑，大大降低了設(shè)備投資和原材料成本。這一技術(shù)獲20多項(xiàng)中國(guó)和國(guó)際發(fā)明專(zhuān)利。該成果目前已用于制造我國(guó)新型戰(zhàn)機(jī)掛件、高鐵轍叉等多項(xiàng)支柱產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域及大型先進(jìn)尖端武器裝備領(lǐng)域。

經(jīng)由這種微鑄鍛生產(chǎn)的零部件，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和性能均穩(wěn)定超過(guò)傳統(tǒng)鑄件。同時(shí)，該技術(shù)以金屬絲材為原料，材料利用率達(dá)到80%以上，絲材料價(jià)格成本為目前普遍使用的激光撲粉粉材的1/10左右。由于這一技術(shù)能同時(shí)控制零件的形狀尺寸和組織性能，大大縮小了產(chǎn)品周期：制造一個(gè)兩噸重的大型金屬鑄件，過(guò)去需要三個(gè)月以上，現(xiàn)在僅需十天左右。

有趣的“包餃子”理論

60歲的張海鷗教授來(lái)自華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院，53歲的王桂蘭教授來(lái)自該校材料學(xué)院。昨日，記者獲準(zhǔn)探訪兩位教授的實(shí)驗(yàn)基地，看到了這項(xiàng)融合了3D打印、半固態(tài)鍛造、機(jī)器人3項(xiàng)技術(shù)的最新成果，并了解了他們科研背后的故事。

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)基地，一臺(tái)長(zhǎng)4米、高和寬均為2米的“鐵疙瘩”映入眼簾，它可是世界上首次成功打印出具有鍛件性能的高端金屬零件。在填充金屬絲材后，打印針頭來(lái)回移動(dòng)，材料從3D打印針頭中被擠出來(lái)，物料在過(guò)程中被一層一層疊加成型，同時(shí)進(jìn)行高溫?zé)崽幚?，軋輥沿著熔積方向?qū)θ鄯e層進(jìn)行鍛造，最后銑削成型。

“傳統(tǒng)工藝鑄造、鍛造、銑削是分離進(jìn)行的，但在這臺(tái)機(jī)器上實(shí)現(xiàn)了一體化?！睆埡ｚt教授解釋說(shuō)，如果把制作一個(gè)精密復(fù)雜零部件想成包餃子，那么就需要和面、搟皮、配餡等環(huán)節(jié)，如果其中一個(gè)環(huán)節(jié)不到位，下鍋后可能就露餡，現(xiàn)在這些工序合在一起，皮餡結(jié)合緊致，就不會(huì)露餡。“露餡的餃子還能吃，但零件‘露餡’就會(huì)疏松，只能報(bào)廢。”

目前，由“智能微鑄鍛”打印出的高性能金屬鍛件，已達(dá)到2.2米長(zhǎng)約260公斤。現(xiàn)有設(shè)備已打印飛機(jī)用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等八種金屬材料。

放棄東京大學(xué)高薪回國(guó)，“吵架”吵出高科技

1998年，張海鷗和王桂蘭放棄在日本東京大學(xué)的高薪，來(lái)到華中科技大學(xué)，在3D打印領(lǐng)域一扎就是近20年。

在王桂蘭眼中，先生是位多才多藝的教授?！八母璩梅浅：?。我當(dāng)時(shí)就是這樣上當(dāng)?shù)摹！闭勂甬?dāng)年，王桂蘭略有些羞澀。張海鷗一首《我的太陽(yáng)》徹底贏得了王桂蘭的芳心。

后來(lái)，張海鷗去了日本東京大學(xué)念博士，王桂蘭也夫唱婦隨，也去了東京大學(xué)當(dāng)客座研究員。

可能正是他的多才多藝，使得他們的3D打印研究，開(kāi)辟了一條新路。2008年，他們的研究陷入困境，不知道朝何處發(fā)展。這時(shí)，張海鷗突發(fā)奇想，為什么不把傳統(tǒng)分開(kāi)進(jìn)行的“鑄”“鍛”“銑”合一進(jìn)行呢。對(duì)此，王桂蘭直斥先生異想天開(kāi)。因?yàn)閹浊陙?lái)，都沒(méi)有這種做法。為此，夫婦倆還大吵了幾架。當(dāng)然，都只是學(xué)術(shù)的爭(zhēng)吵。但吵歸吵，張海鷗的設(shè)想還是打開(kāi)了王桂蘭的思路，她最后還是帶著10多個(gè)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，“當(dāng)時(shí)想著要是行不通，也至少可以讓他死心?！蓖豕鹛m說(shuō)。

研發(fā)過(guò)程失敗了很多次，他們也吵了很多次。“每次失敗他都會(huì)挨我一頓抨擊。”王桂蘭笑著說(shuō)，“但我又會(huì)不自覺(jué)按他的思路繼續(xù)試，錯(cuò)了就繼續(xù)吵，吵完再接著干?！狈驄D倆夜以繼日地進(jìn)行研發(fā)，全身心地投入到實(shí)驗(yàn)中，18年來(lái)幾乎天天吃食堂，家里廚房一年用不了幾次。2010年，王桂蘭團(tuán)隊(duì)成功完成了西飛大型飛機(jī)蒙皮熱壓成型模具，這驗(yàn)證了張海鷗的“鑄鍛銑合一”的設(shè)想，實(shí)現(xiàn)了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新，成功實(shí)現(xiàn)鑄鍛銑一體化。這也是全球首次進(jìn)行邊鑄邊鍛、鑄鍛合一的新技術(shù)。

這種“鑄鍛銑一體化”金屬3D打印技術(shù)，有望改變世界金屬零件制造歷史，出現(xiàn)首次由中國(guó)制造領(lǐng)先的“東方時(shí)代”。