华中科技大学张海欧教授:智能微铸锻复合增材制造促进传统工业的转型



 由中国3D打印技术产业联盟和世界3D打印技术产业联盟、南方日报共同主办,佛山市,南海区,大沥镇三级政府支持的第五届世界3D打印技术产业大会于2018年6月17/18日在佛山大沥成功举行,来自国内外900多位代表出席大会,并就3D打印重新定义制造业这个主题展开热烈讨论。下面有请华中科技大学张海欧教授为我们做主题演讲。

张海欧:自古以来古代铸锻都是先铸后锻,需要先将金属熔化。进入现代是大机械制造。现在的传统制造流程是铸锻、焊铣分开,这样一个流程图需要很多的工序、很多的装备,而且时间长,污染也很大,特别是右边这个是我们国家8万吨的锻压机。现在常规的技术3D打印是右边这4张图,由于熔化得很快,温度梯度高,产生的气孔很难以出来,另外由于温度梯度很高,容易产生裂纹等缺陷。总结出来,我们现在的制造模式对于制造金属锻件来讲,依赖重型的装备长,流程长,重污染,是一种非绿色的铸造过程。

3D打印制造模式由于只有铸没有锻,我认为它是一种高价、效率比较低,但是优质的绿色制造,它的性能应该介于铸造和锻造之间。我们国家创造了新的模式,我们发明了微铸锻铣合一的超短流程制造锻件的新方法,把刚才这样一个长流程归纳为采用金属丝、采用装备来直接得到锻件,把多设备、多工序、长流程的传统模式变成采用单一设备、工序合一、超短流程的制造模式。

另外,我们发明了超细等轴晶单键微铸锻复合成形工艺,中间是单纯的3D打印,可以获得比传统锻造更优越的锻造性能,从而攻克3D打印不能打印锻件的这样一个难题。

对于718的高温合金三种成形工艺对比,从性能上来讲,比传统锻造抗拉强度有所提高,特别是在伸长率、收缩率和冲击率方面有比较大的优势。回顾起来至今为止我们成形过程中几乎没有断裂、破裂的,由于它的冶金过程非常充分,所以是一种可以得到塑性和韧性比较好的优异的方法。

另外,这种模式改变了传统制造铸锻起分离的长流程的历史,实现了铸锻合一、趁热打铁,突破了3D打印不能打印锻件的限制,实现了单机小载荷、节能、省材的绿色制造。另外攻克了传统铸锻沿零件无法数字化成形的难题。传统技术是采用铸造,但是它的成形率很低,在这样一些厚度变化的地方容易产生裂纹与气孔,采用我们这个技术使它由原来的10%的成品率变成100%的成品率,下面是内部的X光检测,也没有发现什么问题。高铁关键部件辄叉在列车换道的时候冲上来,需要比较好的带冲击的耐磨的性能,左边两个采用3D打印,只不过改变了它的热处理方式,仍然没有改变它的组织特征。右边是微锻造的情况,强度和塑形有所降低,通过微锻造合一还没有进行热处理情况下,强度延伸都超过了单纯3D打印以及连续的锻造,特别在室温冲击下有很大的提高,说明微锻造的复合是非常有效的技术。另外新型飞机主承力接头的零件,原来是分段的机械锻造,然后加工把机械铆接起来,这样一些复杂的合金螺旋桨以及叶轮,采用我们这样的技术可以实现在表面用规矩的模具钢向内部梯度过渡到铸钢,这样在成形模具材料使用方面已经有很大的优势。这是航空发动机的零件,这项技术的先进性在于,通过边铸边锻将3D打印固有的柱状晶成典型的等轴细晶。另外是低成本,使用的热源价格比较低,而且能量和材料利用率较高。这项技术比较容易实现,因为是轮胎成形,现在往3D打印上发展,但是也碰到一些问题。首先这样一个零件长短的不同,各点的温度是不一样的,得到的各点性能也是不均匀的。我们这项技术可以看到,在熔池与杂孔之间的距离是一定的,所以成形的条件是一定,所以我们可以得到通体的各点力学性能一致的这样一个成形体,所以在性能的均匀性有很大的优势。

Cranfield大学也要将电弧熔炽与锻轧集成至1台三轴数控机上,开始尝试成形零件,但这也将是一个挑战。我们的团队已铸造同步复合得到锻件,赢得了挑战。5月份在美国召开的TCT成形大会上,美国的ARCONIC公司在最后一个阶段用激光受粉得到一个铸批,这样一个过程中它的效率和成本相对于本项技术有比较大的提高,另外成本也有比较大的提高。

我们现在承担了一些项目,我们感觉到这一项技术越来越受到重视,特别是在航空航天、国家国防方面已经得到很高的重视,项目任务非常多。

最后对这个技术进行展望。3D铸锻铣合一制造技术的产业化,将改进用一台设备制造锻件的绿色智能制造中国模式。第二把铸件改成锻件也可以轻量化。第三可望成为“中国制造2025”标杆成果,形成新的技术产业和市场群,促进传统工业的转型,是中国超越西方的一个战略机遇。

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