我校机械学院张海鸥团队又迎来新突破。近日，由该团队历时十余年研发的金属3d打印“微铸锻”技术相继成功应用于大型泵喷推进器桨叶、新型高炉风口等大型复杂零件及高端材料制造中，充分证明了金属3d打印“微铸锻”这一原创短流程绿色制造技术的巨大市场潜力和广泛应用前景。
生产现场的张海鸥、王桂兰教授夫妇
微铸锻同步制造设备
金属3d打印“微铸锻”技术破解复杂大型零件制造“卡脖难题”
近日，金属3d打印“微铸锻”技术一次性制造成功大型泵喷推进器桨叶，该桨叶选用不锈钢316l原材料，成型尺寸达到直径0.6米、高度1米，总重量160千克，破解了在复杂曲面构建上同时进行打印增材、等材变形与铣削减材在同一装备上集成制造的“卡脖难题”。
泵喷推进器主要应用于潜艇军事、船舶重工等领域，是船舶航行的重要动力装置。通过金属3d打印“微铸锻”技术制造成功的大型泵喷推进器桨叶通过验收与测试，制造周期相比传统方式缩短了2/3，构件的力学性能得到了大幅度提升，制造精度差由以前的0.5mm提高到0.1mm，没有检测到铸造缺陷如气孔、裂纹等。
泵喷推进器示意图，图源网络
“我们将原先需要8万吨力才能完成的动作，降低到八万分之一，也就是不到1吨的力即可完成，同时一台设备完成了过去诸多大型设备才能完成的工作，绿色又高效。”张海鸥介绍。
生产设备功率只需50千瓦，单位时间能耗为巨型压机的千分之二，金属3d打印“微铸锻”完全改变了传统机械制造长期依赖巨型锻机、长流程重污染的模式，不仅突破了现有3d打印金属零件疲劳性能和可靠性难及锻件的“卡脖”难题，也将过去必须由工业“大象”完成的任务，轻松交由智能化的工业“蚂蚁”操作完成。
“金属3d打印“微铸锻”不仅实现了大型泵喷推进器桨叶绿色高效的短制造流程，还显著提高了材料的疲劳寿命和可靠性，为船舶航行提供更为强劲、稳定的“中国动力”张海鸥介绍。
张海鸥团队研发人员进行设备调试
金属3d打印“微铸锻”技术是高端材料制造升级“杀手锏”
金属3d打印“微铸锻”技术还在近日由中国宝武武钢集团有限公司（简称“武钢”）成功应用于高炉风口制造，经检验,该新型高炉风口耐磨性大幅提高，抗热震性能远优于传统等离子喷涂工艺，风口使用寿命较传统方法提高5倍以上，产生了重大经济效益。
高炉风口强化前后形貌对比
武钢副总经理、原炼铁厂厂长陆隆文介绍，因为新型梯度功能复合材料“高炉风口”的使用寿命长，大大减少了停炉更换风口的时间，有效提高了设备利用率和生产效率，经济效益显著。经初步估算，使用寿命较传统产品提高5倍以上，节约的风口购置成本及更换导致的停炉效益共计约3027万元。
高强韧高可靠锻件是高端装备在恶劣工况下顺利运行的根本保证，其高品质短流程绿色制造技术是各强国可持续发展的战略制高点。在航天航空领域，高端零件的工况同样十分恶劣，需要极高的耐腐蚀性和耐热性，这与高炉风口的工况有一定类似性。
“高炉风口的成功验证了“微铸锻”技术制造的零件完全可以满足这些要求。包括航天航空在内这样的“尖板眼”制造领域，金属3d打印“微铸锻”技术同样可以大派用场。”
张海鸥介绍，该技术不仅举重若轻地实现了短流程绿色制造，还大幅提高了制件的强度和韧性，提高了构件的疲劳寿命和可靠性，可实现梯度材料、高温合金及超高强度钢等难成形材料的高品质制造，广泛应用于航空航天、能源、舰船等领域的高强韧可靠性锻件制造，接受各种极端环境的严苛考验。
金属3d打印“微铸锻”喜获湖北省技术发明奖一等奖
今年6月，金属微铸锻同步复合增材制造技术与装备获得2019年度湖北省技术发明奖一等奖。
在湖北省技术发明奖一等奖的颁奖评语中写道：“该技术在技术原理、工艺及装备等方面取得突出创新，在国内外首次研制成功微铸锻合一装备，获得20余项专利等多项创新性成果，整体技术居于国际领先水平。”
张海鸥教授接受电视台采访
张海鸥认为，科学的重大发现将显著改变人类的思想观念，技术的重大发明将改变人类的生活和生产方式。如今，科研基础条件大大改善，大力发展原创技术、实现产业化应用正当其时。
“金属3d打印‘微铸锻’颠覆了国内外传统机械制造工艺流程和装备，有望结束传统重工业制造方式，破解了复杂大型零件制造的‘卡脖难题’，将‘脏、重、险’的传统工业生产方式变为‘洁、轻、安’的美好生产方式。有望开辟中国领先于世界水平的绿色制造新时代。”张海鸥说。
小科普：常规金属3d打印存在“卡脖”问题：一是没有经过锻造，金属抗疲劳性严重不足；二是制件性能不高，难免存在疏松、气孔和未熔合等缺陷；三是大都采用激光、电子束为热源，成本高昂。所以形成了中看不中用的尴尬局面。正因如此，全球金属3d打印尽管在中小尺寸零部件制造中存在优势，但在大尺寸零件制造上无法和大型锻压机相比，因此无法进入大型复杂零件的高端应用。
针对金属3d打印中的世界性难题，张海鸥教授带领研究团队潜心攻关，经过二十年不懈努力，发明了“智能微铸锻”3d打印技术，创造性地将金属铸造、锻压技术合二为一，实现了首超西方的边铸边锻的颠覆性原始创新。
张海鸥介绍，目前，国际前沿的金属3d打印过程是打印算一步，这一层打印完后，连续冷锻轧制算一步，二步要分开依次进行，即前一个步骤完了，后一个步骤方可进行，中间还要腾出金属冷却的时间。
智能微铸锻技术可以同步进行上述步骤，打印完成了，铸锻也就同时完成了，熔积效率是前者的3倍。将原先需要8万吨力才能完成的动作，降低到八万分之一，也就是不到1吨的力即可完成，同时一台设备完成了过去诸多大型设备才能完成的工作，绿色又高效。