——記華中科技大學二級教授張海鷗
□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，東京大學工學博士；現(xiàn)為華中科技大學二級教授，創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)并行研究中心主任，數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室工藝方向?qū)W術帶頭人。兼任中國機械工程學會特種加工分會常務理事，省特種加工學會理事長、汽車工程學會常務理事、Rapid Prototyping Journal等雜志審稿人、中國機械工程雜志特邀評審專家。主持完成國家自然科學基金、863、總裝預研、國防預研等課題20多項，與西航動力、西飛國際、中船重工461、東風汽車、武鋼等公司合作多項，在Journal of Applied Physics、Power sources、中國科學等國內(nèi)外權威和核心雜志上發(fā)表論文200余篇。因開發(fā)“熔射制造碳化鎢合金模具技術”而獲得東京大學工學博士學位、作為中國學者首次獲日本模具技術協(xié)會獎（排名第一），并寫入日本粉體粉末協(xié)會研究功績獎。2012年底歐共體增量制造研究機構在著名的《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隊，研發(fā)的技術唯一被列為來自中國的國際金屬零件高效直接成形技術之一；先后獲20項中國發(fā)明專利和1項國際發(fā)明專利。
3D打印作為一項前沿性的先進制造技術，已經(jīng)成為全球新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的重要推動力。而全球3D打印行業(yè)共同面對的最大障礙是打印出的材料達不到經(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)狀目前被中國科學家打破。經(jīng)過15年的潛心攻關，由華中科技大學機械科學與工程學院教授張海鷗主導研發(fā)的一項金屬3D打印技術——“智能微鑄鍛”，在3D打印技術中加入了鍛打技術，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，改變了長期以來由西方引領的“鑄鍛銑分離”的傳統(tǒng)制造歷史，開啟了人類實驗室制造大型機械的時代新篇章，并將給全球機械制造業(yè)帶來顛覆性創(chuàng)新。近日，記者對張海鷗教授進行了專訪。
團隊合影
向“等離子”技術“宣戰(zhàn)”
在華中科技大學，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：?，我當時就是這樣上當?shù)??！闭勂甬斈?，王桂蘭略有些羞澀。
“你不知道吧？在北京科技大學讀研究生時，他可是合唱團的男生領唱呢。另外，他的乒乓球也打得不錯，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念博士，王桂蘭夫唱婦隨，也去了東京大學當客座研究員。
“我父母都是老革命干部，可能受他們的影響吧，我覺得個人發(fā)展應該是與國家發(fā)展相結合的。所以，我從來沒有想過在國外定居。不過當初回國時，清華大學也發(fā)了邀請。后來，原校長周濟專門找我深談。我感到了一種很強的信任和期望，最終我們選擇了華中科技大學?！睆埡ｚt說。
1998年，畢業(yè)于日本東京大學的張海鷗攜夫人王桂蘭剛來華中科技大學時，帶來了一個“新招兒”——用“等離子”技術制造金屬模具和金屬零件。“等離子”是什么？簡單地說，“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。
“等離子”技術并不是張海鷗的首創(chuàng)，但應用“等離子”技術來制造金屬模具和金屬零件，張海鷗卻是第一人。張海鷗將這一技術不斷完善、創(chuàng)新，并應用到許多關系國計民生的領域，如汽車模具制造、先進發(fā)動機高溫零部件等等。他在這一方向上取得的成績已獲得了國內(nèi)同行的普遍認同，并已引起了國外同行的廣泛關注。
“創(chuàng)新不僅僅是在技術上創(chuàng)新，更重要的是在學科體系上創(chuàng)新?！?“別人做過的我不做?！痹跂|京大學讀博士時，導師的這句話給張海鷗留下了深刻印象。他認為，創(chuàng)新應該是一個科學工作者的必備素質(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，他帶領團隊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)
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“包餃子”理論妙解世界難題
“1986年，自美國發(fā)明3D打印技術以來，這一技術受到各國高度重視。然而，常規(guī)金屬3D打印技術存在諸多缺陷，這一技術并無法進入工程化應用，尤其是應用于高端鍛件。為此，全球科學家絞盡腦汁，致力于突破常規(guī)金屬3D打印技術的關鍵瓶頸——鑄態(tài)缺陷及柱狀晶組織特征造成的制件性能不及鍛件，為本國機械制造業(yè)的發(fā)展贏取主動權。”張海鷗說，為解決這一世界性難題，他帶領他的團隊進行了研究。
張海鷗介紹，傳統(tǒng)機械制造存在以下嚴重缺陷：一是依賴超大鍛機、鍛模，投資大，成本高；二是制造流程長，需多次加熱，能耗巨大，污染嚴重；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95 %，浪費嚴重；四是難以制造梯度功能材料（兩種以上性質(zhì)差異較大復合材料）零件，如：航空發(fā)動機多功能整體渦輪盤等。
與此同時，作為后起之秀的常規(guī)金屬3D打印技術在國際上受到機械制造業(yè)的青睞。目前，金屬3D打印技術已經(jīng)在航空航天、模具以及汽車等領域開始獲得大規(guī)模應用，歐美國家僅在航空領域應用就超過8%。然而，美國航空航天局分析測試報告表明，常規(guī)金屬3D打印同樣存在嚴重缺陷：一是由于沒有經(jīng)過鍛造，金屬抗疲勞性嚴重不足；二是急冷凝固生成發(fā)達的柱狀晶組織，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為常規(guī)3D打印技術不能用于制造鍛件。
經(jīng)過15年潛心攻關，張海鷗和他的團隊獨立研制的微鑄鍛同步復合設備創(chuàng)造性地將已有千年歷史的人類金屬鑄造、鍛壓技術合二為一，實現(xiàn)了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新，大幅提高了制件強度和韌性，提高了構件的疲勞壽命和可靠性。新技術不僅能打印薄壁金屬零件，而且大大降低了設備投資和原材料成本。
這項技術帶來兩個歷史性重大突破：一是將改變長期以來由西方引領世界的“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設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、銑削是分離進行的，但在這臺機器上實現(xiàn)了一體化。”張海鷗解釋說，如果把制作一個精密復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，皮餡結合緊致，就不會露餡?！奥娥W的餃子還能吃，但零件‘露餡’就會疏松，只能報廢?！?/p>
張海鷗教授指導學生
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，已達到2.2米長約260公斤。現(xiàn)有設備已打印飛機用鈦合金、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，此項張海鷗主導研發(fā)的國際發(fā)明專利技術裝備，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?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裝備。
但不為人知的是，這項技術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”構想，她認為這是異想天開，兩人還吵了一架。張海鷗教授笑著說：“這不怪她，誰叫鑄、鍛、銑分離技術存在了上千年，要改變談何容易？”不過吵歸吵，張海鷗的設想打開了王桂蘭的思路，她最后還是帶著10多個學生進行實驗，“當時想著要是行不通，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?！懊看问∷紩の乙活D抨擊。”王桂蘭笑著說，“但我又會不自覺按他的思路繼續(xù)試，錯了就繼續(xù)吵，吵完再接著干?！狈驄D倆夜以繼日地進行研發(fā)，全身心地投入到實驗中，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，張海鷗團隊與西安航空動力股份有限公司合作，承接了后者委托的制造發(fā)動機過渡段零件任務。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3D打印技術的一次挑戰(zhàn)。張海鷗團隊采用自主開發(fā)的鑄鍛合一技術首次成功制造出發(fā)動機過渡段零件。
2015年10月，西安航空動力公司工藝技術中心鑒定認為，張海鷗團隊制造的產(chǎn)品，經(jīng)X光內(nèi)部檢測無缺陷；復合成形件達到微米晶超強鋼水平；與歐洲航天局的項目指標和數(shù)據(jù)相比，冶金質(zhì)量完全達到嚴格的烏克蘭航空發(fā)動機檢驗標準，而且抗拉強度、屈服強度、塑性指標分別超過航空標準鍛件的12.9% ，31. 4% ，5. 9%。這一成功再次表明：該3D打印技術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。
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新技術致力于“國之重器”
“常規(guī)金屬3D打印實際是一個鑄造過程，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用的局面?！睆埡ｚt介紹說，現(xiàn)在他的新技術攻破了這一難題。
經(jīng)過專家驗證，已證實由這種微鑄鍛生產(chǎn)的零部件，各項技術指標和性能均穩(wěn)定超過傳統(tǒng)鑄件與鍛件。同時，該技術以金屬絲材為原料，材料利用率達到80%以上，絲材料價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，使用高效廉價的電弧為熱源，成本為目前普遍使用的大多需要進口的激光器的1/10。而且由于這一技術能同時控制零件的形狀尺寸和組織性能，大大縮小了產(chǎn)品周期：制造一個兩噸重的大型金屬鍛件，過去需要三個月以上，現(xiàn)在僅需十天左右。
據(jù)了解，我國研制的新型戰(zhàn)斗機上，一種新型復雜鈦合金接頭將使用該技術。由于部件復雜，采用傳統(tǒng)方法無法整體制造，只能降低設計標準，將零件拆分成多個部位制造后再連接，使該戰(zhàn)機先進性能受到影響，使用壽命變短。目前，張海鷗團隊的鑄鍛銑一體化整體3D打印技術與裝備，已開始與該團隊合作研發(fā)攻關。用3D技術打印出來的TC4鈦合金抗拉強度、屈服強度、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)部部長林宗棠專程考察張海鷗教授負責的創(chuàng)形創(chuàng)質(zhì)研究室，調(diào)研了其團隊發(fā)明的全新增材制造技術與裝備，現(xiàn)場仔細觀察了金相顯微鏡下鑄鍛前后增材成形微觀組織，詳細詢問了材料參數(shù)、工藝條件，充分肯定了張海鷗團隊多年艱苦努力所做的開拓性工作，高度評價該團隊為我國高端零件增材制造技術發(fā)展所做的貢獻和取得的成就，鼓勵該團隊堅持不懈、大干快上、繼續(xù)創(chuàng)新，爭取在大中型高端金屬零件智能增材制造領域取得更大突破，為我國航空發(fā)動機、飛機及艦船等關鍵重大承力件等國防和國家先進制造領域高端零件的增材制造作出更大貢獻。
為此，包括林宗棠在內(nèi)的多位專家建議，在《中國制造2025》重大專項中列入此項技術，同時重點推動該技術與裝備在航空航天、先進兩機、核電、艦船、高鐵等重點支柱領域的應用，讓這一技術首先提高我國的制造能力與國防實力，將技術優(yōu)勢變?yōu)楦偁帉嵙?，成為實現(xiàn)先進制造領域“中國夢”的國之重器、戰(zhàn)略推手，開辟機械制造史上前所未有的綠色時代。
