——記華中科技大學(xué)二級(jí)教授張海鷗
□記者/陳思炎 通訊員/胡艷華 王瀟瀟
張海鷗教授近影（陳思炎攝影)
人物名片：
張海鷗，東京大學(xué)工學(xué)博士；現(xiàn)為華中科技大學(xué)二級(jí)教授，創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行研究中心主任，數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工藝方向?qū)W術(shù)帶頭人。兼任中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工分會(huì)常務(wù)理事，省特種加工學(xué)會(huì)理事長(zhǎng)、汽車工程學(xué)會(huì)常務(wù)理事、Rapid Prototyping Journal等雜志審稿人、中國機(jī)械工程雜志特邀評(píng)審專家。主持完成國家自然科學(xué)基金、863、總裝預(yù)研、國防預(yù)研等課題20多項(xiàng)，與西航動(dòng)力、西飛國際、中船重工461、東風(fēng)汽車、武鋼等公司合作多項(xiàng)，在Journal of Applied Physics、Power sources、中國科學(xué)等國內(nèi)外權(quán)威和核心雜志上發(fā)表論文200余篇。因開發(fā)“熔射制造碳化鎢合金模具技術(shù)”而獲得東京大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位、作為中國學(xué)者首次獲日本模具技術(shù)協(xié)會(huì)獎(jiǎng)（排名第一），并寫入日本粉體粉末協(xié)會(huì)研究功績(jī)獎(jiǎng)。2012年底歐共體增量制造研究機(jī)構(gòu)在著名的《Rapid Prototyping Journal》雜志綜述文章中引用3篇中國研究論文皆出自他的團(tuán)隊(duì)，研發(fā)的技術(shù)唯一被列為來自中國的國際金屬零件高效直接成形技術(shù)之一；先后獲20項(xiàng)中國發(fā)明專利和1項(xiàng)國際發(fā)明專利。
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。而全球3D打印行業(yè)共同面對(duì)的最大障礙是打印出的材料達(dá)不到經(jīng)久耐用的要求，只是滿足于“模型制造”和展示階段，但這一現(xiàn)狀目前被中國科學(xué)家打破。經(jīng)過15年的潛心攻關(guān)，由華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院教授張海鷗主導(dǎo)研發(fā)的一項(xiàng)金屬3D打印技術(shù)——“智能微鑄鍛”，在3D打印技術(shù)中加入了鍛打技術(shù)，成功制造出世界首批3D打印鍛件。該成果打破了3D打印行業(yè)存在的最大障礙，改變了長(zhǎng)期以來由西方引領(lǐng)的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史，開啟了人類實(shí)驗(yàn)室制造大型機(jī)械的時(shí)代新篇章，并將給全球機(jī)械制造業(yè)帶來顛覆性創(chuàng)新。近日，記者對(duì)張海鷗教授進(jìn)行了專訪。
團(tuán)隊(duì)合影
向“等離子”技術(shù)“宣戰(zhàn)”
在華中科技大學(xué)，張海鷗和王桂蘭被喻為“華科的居里夫婦”。在王桂蘭眼中，張海鷗是位多才多藝的教授?！八母璩梅浅：茫耶?dāng)時(shí)就是這樣上當(dāng)?shù)??！闭勂甬?dāng)年，王桂蘭略有些羞澀。
“你不知道吧？在北京科技大學(xué)讀研究生時(shí)，他可是合唱團(tuán)的男生領(lǐng)唱呢。另外，他的乒乓球也打得不錯(cuò)，游泳也很好?！蓖豕鹛m這樣告訴記者，后來，張海鷗去了日本東京大學(xué)念博士，王桂蘭夫唱婦隨，也去了東京大學(xué)當(dāng)客座研究員。
“我父母都是老革命干部，可能受他們的影響吧，我覺得個(gè)人發(fā)展應(yīng)該是與國家發(fā)展相結(jié)合的。所以，我從來沒有想過在國外定居。不過當(dāng)初回國時(shí)，清華大學(xué)也發(fā)了邀請(qǐng)。后來，原校長(zhǎng)周濟(jì)專門找我深談。我感到了一種很強(qiáng)的信任和期望，最終我們選擇了華中科技大學(xué)。”張海鷗說。
1998年，畢業(yè)于日本東京大學(xué)的張海鷗攜夫人王桂蘭剛來華中科技大學(xué)時(shí)，帶來了一個(gè)“新招兒”——用“等離子”技術(shù)制造金屬模具和金屬零件?！暗入x子”是什么？簡(jiǎn)單地說，“等離子”和“激光”都是通過高能束來熔化金屬粉末，制造金屬模具。但是由于兩者的發(fā)生裝置和加工方式的不同，所以與“激光”相比，“等離子”具有成本低、成形率高等優(yōu)點(diǎn)。
“等離子”技術(shù)并不是張海鷗的首創(chuàng)，但應(yīng)用“等離子”技術(shù)來制造金屬模具和金屬零件，張海鷗卻是第一人。張海鷗將這一技術(shù)不斷完善、創(chuàng)新，并應(yīng)用到許多關(guān)系國計(jì)民生的領(lǐng)域，如汽車模具制造、先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)高溫零部件等等。他在這一方向上取得的成績(jī)已獲得了國內(nèi)同行的普遍認(rèn)同，并已引起了國外同行的廣泛關(guān)注。
“創(chuàng)新不僅僅是在技術(shù)上創(chuàng)新，更重要的是在學(xué)科體系上創(chuàng)新?！?“別人做過的我不做?！痹跂|京大學(xué)讀博士時(shí)，導(dǎo)師的這句話給張海鷗留下了深刻印象。他認(rèn)為，創(chuàng)新應(yīng)該是一個(gè)科學(xué)工作者的必備素質(zhì)。因此，在張海鷗開辟的研究方向上，處處都體現(xiàn)了創(chuàng)新精神。
如在高溫零部件的制造上，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將原先需要五道工序才能完成的加工集成為一道工序。在轎車儀表板模具制造上，他們將制造時(shí)間從原來的85天減少至37天。日本的一家企業(yè)敏銳地看到了它的前景，已經(jīng)在世界上率先將其應(yīng)用于豐田轎車儀表板模具制造。
張海鷗教授與科研人員交流（陳思炎攝影)
#p#分頁標(biāo)題#e#
“包餃子”理論妙解世界難題
“1986年，自美國發(fā)明3D打印技術(shù)以來，這一技術(shù)受到各國高度重視。然而，常規(guī)金屬3D打印技術(shù)存在諸多缺陷，這一技術(shù)并無法進(jìn)入工程化應(yīng)用，尤其是應(yīng)用于高端鍛件。為此，全球科學(xué)家絞盡腦汁，致力于突破常規(guī)金屬3D打印技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸——鑄態(tài)缺陷及柱狀晶組織特征造成的制件性能不及鍛件，為本國機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展贏取主動(dòng)權(quán)。”張海鷗說，為解決這一世界性難題，他帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了研究。
張海鷗介紹，傳統(tǒng)機(jī)械制造存在以下嚴(yán)重缺陷：一是依賴超大鍛機(jī)、鍛模，投資大，成本高；二是制造流程長(zhǎng)，需多次加熱，能耗巨大，污染嚴(yán)重；三是制造整體大型薄壁件，只能采取減材制造方法，材料去除率高達(dá)95 %，浪費(fèi)嚴(yán)重；四是難以制造梯度功能材料（兩種以上性質(zhì)差異較大復(fù)合材料）零件，如：航空發(fā)動(dòng)機(jī)多功能整體渦輪盤等。
與此同時(shí)，作為后起之秀的常規(guī)金屬3D打印技術(shù)在國際上受到機(jī)械制造業(yè)的青睞。目前，金屬3D打印技術(shù)已經(jīng)在航空航天、模具以及汽車等領(lǐng)域開始獲得大規(guī)模應(yīng)用，歐美國家僅在航空領(lǐng)域應(yīng)用就超過8%。然而，美國航空航天局分析測(cè)試報(bào)告表明，常規(guī)金屬3D打印同樣存在嚴(yán)重缺陷：一是由于沒有經(jīng)過鍛造，金屬抗疲勞性嚴(yán)重不足；二是急冷凝固生成發(fā)達(dá)的柱狀晶組織，存在明顯各向異性，使得制件性能不高（這是金屬3D打印應(yīng)用于高端鍛件的瓶頸）；三是存在氣孔和未熔合部分；四是3D打印大都采用激光、電子束為熱源，成本高昂。因此，美國通用電氣公司認(rèn)為常規(guī)3D打印技術(shù)不能用于制造鍛件。
經(jīng)過15年潛心攻關(guān)，張海鷗和他的團(tuán)隊(duì)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金屬鑄造、鍛壓技術(shù)合二為一，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。新技術(shù)不僅能打印薄壁金屬零件，而且大大降低了設(shè)備投資和原材料成本。
這項(xiàng)技術(shù)帶來兩個(gè)歷史性重大突破：一是將改變長(zhǎng)期以來由西方引領(lǐng)世界的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史；二是在世界上首次鑄鍛銑一體化3D打印出高性能鍛件，有望開啟人類在一臺(tái)設(shè)備上綠色制造高端金屬鍛件的新的歷史。
“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。”張海鷗解釋說，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?！奥娥W的餃子還能吃，但零件‘露餡’就會(huì)疏松，只能報(bào)廢?！?/p>
張海鷗教授指導(dǎo)學(xué)生
首超西方的顛覆創(chuàng)新
張海鷗介紹說，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?，F(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。在零件尺寸方面也取得重大進(jìn)展，已打印出最大尺寸2200毫米和1800×1400×20毫米尺寸的大型零件。
此前世界激光選擇性熔化3D打印金屬零件最大尺寸是德國一家公司的630毫米，均為一米以下的小型件。目前，此項(xiàng)張海鷗主導(dǎo)研發(fā)的國際發(fā)明專利技術(shù)裝備，不僅可以打印出4倍于上述激光3D打印最大尺寸金屬零件，而且還可以打印與激光送粉成形和電子束送絲成形尺寸相當(dāng)?shù)牧慵?，也是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材制造技術(shù)裝備。
但不為人知的是，這項(xiàng)技術(shù)居然是張海鷗教授夫婦“吵架”吵出來的。王桂蘭教授說，2008年，張海鷗首次向她提出“鑄鍛銑一體化”構(gòu)想，她認(rèn)為這是異想天開，兩人還吵了一架。張海鷗教授笑著說：“這不怪她，誰叫鑄、鍛、銑分離技術(shù)存在了上千年，要改變談何容易？”不過吵歸吵，張海鷗的設(shè)想打開了王桂蘭的思路，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。
研發(fā)過程失敗了很多次，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，“但我又會(huì)不自覺按他的思路繼續(xù)試，錯(cuò)了就繼續(xù)吵，吵完再接著干。”夫婦倆夜以繼日地進(jìn)行研發(fā)，全身心地投入到實(shí)驗(yàn)中，15年來幾乎天天吃食堂，家里廚房一年用不了幾次。
2012年8月，張海鷗團(tuán)隊(duì)與西安航空動(dòng)力股份有限公司合作，承接了后者委托的制造發(fā)動(dòng)機(jī)過渡段零件任務(wù)。這種零件壁厚差大，采用傳統(tǒng)熔模鑄造方法制造，容易出現(xiàn)裂紋、疏松、氣孔和變形，合格率極低，不足10%；且因該零件材料為中碳合金鋼，可焊性極差，制造難度是對(duì)3D打印技術(shù)的一次挑戰(zhàn)。張海鷗團(tuán)隊(duì)采用自主開發(fā)的鑄鍛合一技術(shù)首次成功制造出發(fā)動(dòng)機(jī)過渡段零件。
2015年10月，西安航空動(dòng)力公司工藝技術(shù)中心鑒定認(rèn)為，張海鷗團(tuán)隊(duì)制造的產(chǎn)品，經(jīng)X光內(nèi)部檢測(cè)無缺陷；復(fù)合成形件達(dá)到微米晶超強(qiáng)鋼水平；與歐洲航天局的項(xiàng)目指標(biāo)和數(shù)據(jù)相比，冶金質(zhì)量完全達(dá)到嚴(yán)格的烏克蘭航空發(fā)動(dòng)機(jī)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，而且抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性指標(biāo)分別超過航空標(biāo)準(zhǔn)鍛件的12.9% ，31. 4% ，5. 9%。這一成功再次表明：該3D打印技術(shù)不僅可用于可焊性較好的低碳鋼、不銹鋼、欽合金等，還可拓展至可焊性差的中高碳鋼、合金鋼、超高強(qiáng)韌耐磨鋼等，具有廣泛的材料適用性。截至目前，這種制造方法在國際上尚無先例。
#p#分頁標(biāo)題#e#
新技術(shù)致力于“國之重器”
“常規(guī)金屬3D打印實(shí)際是一個(gè)鑄造過程，其死穴是打印出的材料是粗大柱狀晶或枝狀晶，從而導(dǎo)致零件內(nèi)部的各向異性，不能形成高性能致密組織，造成‘中看不中用’，熱熱鬧鬧卻無法高端應(yīng)用的局面。”張海鷗介紹說，現(xiàn)在他的新技術(shù)攻破了這一難題。
經(jīng)過專家驗(yàn)證，已證實(shí)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)定超過傳統(tǒng)鑄件與鍛件。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。在熱源方面，使用高效廉價(jià)的電弧為熱源，成本為目前普遍使用的大多需要進(jìn)口的激光器的1/10。而且由于這一技術(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)兩噸重的大型金屬鍛件，過去需要三個(gè)月以上，現(xiàn)在僅需十天左右。
據(jù)了解，我國研制的新型戰(zhàn)斗機(jī)上，一種新型復(fù)雜鈦合金接頭將使用該技術(shù)。由于部件復(fù)雜，采用傳統(tǒng)方法無法整體制造，只能降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，將零件拆分成多個(gè)部位制造后再連接，使該戰(zhàn)機(jī)先進(jìn)性能受到影響，使用壽命變短。目前，張海鷗團(tuán)隊(duì)的鑄鍛銑一體化整體3D打印技術(shù)與裝備，已開始與該團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)攻關(guān)。用3D技術(shù)打印出來的TC4鈦合金抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑性、沖擊韌性均超過傳統(tǒng)鍛件。
今年3月16日，原航空航天工業(yè)部部長(zhǎng)林宗棠專程考察張海鷗教授負(fù)責(zé)的創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)研究室，調(diào)研了其團(tuán)隊(duì)發(fā)明的全新增材制造技術(shù)與裝備，現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)觀察了金相顯微鏡下鑄鍛前后增材成形微觀組織，詳細(xì)詢問了材料參數(shù)、工藝條件，充分肯定了張海鷗團(tuán)隊(duì)多年艱苦努力所做的開拓性工作，高度評(píng)價(jià)該團(tuán)隊(duì)為我國高端零件增材制造技術(shù)發(fā)展所做的貢獻(xiàn)和取得的成就，鼓勵(lì)該團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持不懈、大干快上、繼續(xù)創(chuàng)新，爭(zhēng)取在大中型高端金屬零件智能增材制造領(lǐng)域取得更大突破，為我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)、飛機(jī)及艦船等關(guān)鍵重大承力件等國防和國家先進(jìn)制造領(lǐng)域高端零件的增材制造作出更大貢獻(xiàn)。
為此，包括林宗棠在內(nèi)的多位專家建議，在《中國制造2025》重大專項(xiàng)中列入此項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)重點(diǎn)推動(dòng)該技術(shù)與裝備在航空航天、先進(jìn)兩機(jī)、核電、艦船、高鐵等重點(diǎn)支柱領(lǐng)域的應(yīng)用，讓這一技術(shù)首先提高我國的制造能力與國防實(shí)力，將技術(shù)優(yōu)勢(shì)變?yōu)楦?jìng)爭(zhēng)實(shí)力，成為實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造領(lǐng)域“中國夢(mèng)”的國之重器、戰(zhàn)略推手，開辟機(jī)械制造史上前所未有的綠色時(shí)代。
