张海鸥,华中科技大学教授,该校数字制造装备与技术国家重点实验室工艺方向学术带头人,东京大学工学博士。曾主持完成20多项国家自然科学基金、863计划、国防预研等课题,先后获20项国内发明专利和1项国际发明专利。

这是一首节选自《奋斗者之歌》的小诗,作者为华中科技大学硕士龚巨秋。他说,这首诗是送给他的导师、华科著名科研伉俪张海鸥、王桂兰教授的礼物,也是研究生们跟随导师艰难探索的纪实。

春节里,华科机械学院数字制造装备与技术国家重点实验室的实验基地中,张海鸥团队仍在加紧制造一批应用于航空领域的高端金属锻件。春节前,该团队携金属3D制造技术和欧洲空中客车公司签署了科研项目合作协议。这意味着,在不久的将来,空客飞机包括机翼、发动机等在内的飞机零部件将可能实现中国打印。

在王桂兰眼中,丈夫张海鸥是个多才多艺的人。“他的歌唱得非常好,我当时就是这样上当的。”谈起当年,50多岁的王桂兰略有些羞涩。

1987年,在北京科技大学读完研究生后,张海鸥只身一人东渡日本。彼时,他想继续学习轧钢技术,但日本导师却指点道:“这方面的技术,日本已经研究得差不多了。”一语惊醒梦中人,张海鸥随即转向,开始耕耘特种精密成形加工研究领域。

6年后,王桂兰也到东京大学留学深造。“八千里路云和月”“往事不堪回首”,王桂兰这样形容当年东渡日本艰辛求学岁月。黎明即起,每天用近4个小时的时间搭乘地铁往返,深夜12点左右回到家,开始准备自己和丈夫第二天的饭菜。除完成导师布置的科研任务外,他俩博览群书,就系列材料成形加工前沿技术收集了大量相关资料,整整装满了31个大箱子,这些资料都是为回国教学与研究做准备的。

1998年,张海鸥和王桂兰放弃在日本东京大学的高薪聘请,回国任教。“当初回国时,清华大学、上海交大也发了邀请,我的叔叔、北航机器人院士张启先建议我们去华科开展机器人应用材料成形加工的探索研究。后来,华科原校长周济院士专门找我们深谈。最终,我们选择留在这里。”张海鸥说。

张海鸥深有感触地说:“我父母都是革命老干部,可能受他们的影响吧,我觉得个人发展只有紧贴国家发展的脉搏才有意义和前途。”父母重病住院,他俩去医院探望,每次二老都撵他们回校,嘱咐他们“不要浪费了时间,要努力工作,报效祖国”。

当时,实验室条件非常艰苦,逢雨天经常屋顶漏雨,地面渗水,“天上水,地下火,耀眼的电弧光刺得眼睛充血,面部脱了一层又一层皮”。学生们分成四班,轮流进实验室,可是两位教授却从早到晚都坚守在第一线。他们甚至专门买了行军床,攻坚阶段就睡在实验室。常年的艰苦奋斗,导致两位教授的身体常年处在亚健康阶段。

经过不懈努力,他们带领团队用了15年的时间,终于破解了困扰金属3D打印的世界级技术难题,实现了我国首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新。

张海鸥夫妇刚到华科,就开始了创新的第一步——用等离子熔射技术制造金属模具和金属零件。

等离子技术并不是张海鸥首创,但应用等离子技术来制造金属模具和零件,张海鸥却是第一人。张海鸥将这一技术不断完善、创新,并应用到许多关系国计民生的领域,如汽车模具制造、先进发动机高温零部件制造等。

当时,金属3D打印出的制件表面比较粗糙,无法直接当零件使用,需做后续机械加工,遇到复杂制件更是几乎不可能实现。张海鸥带领团队反复实验,在金属3D打印中复合了铣削,边打印边铣削加工,解决了上述难题,2004年一举获得国家发明专利。同时,在高温零部件的制造上,他带领团队将原先需要5道工序才能完成的加工集成为一道工序。在轿车仪表板模具制造上,他们将制造时间从原来的85天减少至37天。有企业敏锐地看到了它的前景,已经在世界上率先将其应用于丰田轿车仪表板模具制造。

张海鸥团队创新的步伐并未停止。2009年,他开始构想如何让金属3D打印制件具备锻件性能,使之能应用于高端领域。“很多同行在这里受阻或认可了3D打印不能打印锻件的论断。”张海鸥偏偏要去挑战这样一个大家都觉得不能完成的事,希望在金属3D打印中加入锻打技术,不用耗能耗时的成形后热处理就能获得等轴细晶锻件组织性能。

“研发过程是痛苦的。”张海鸥说,有段时间问题不断,前面问题刚解决,新问题又冒出来,加之2012年前国内外对3D打印并不看好,几乎得不到支持。但张海鸥没有放弃,他坚信这项技术具有战略价值。他带领团队从早到晚在实验室反复实验、不断试错。2010年,大型飞机蒙皮热压成形模具的诞生,验证了张海鸥在3D打印中复合锻打的可行性。其后,该技术不断完善,打印出飞机用钛合金、高温合金、海洋深潜器、核电用钢等高端金属锻件,其稳定性能均超过传统制件。

近日,记者在张海鸥教授位于华中科技大学的数字制造装备与技术国家重点实验室的实验基地,看到了这项融合了3D打印、半固态锻造、机器人3项技术的最新成果。

进入实验基地,一台长4米、高和宽均为2米的“铁疙瘩”映入眼帘,它可是世界上首次成功打印出具有锻件性能的高端金属零件。在填充金属丝材后,打印针头来回移动,材料从3D打印针头中被挤出来,物料在这一过程中被一层一层叠加成形,同时高温热处理,轧辊沿着熔积方向对熔积层锻造,最后铣削成形。

“传统工艺铸造、锻造、铣削是分别完成的,但在这台机器上实现了一体化。”张海鸥解释说,如果把制作一个精密复杂零部件想成包饺子,那么就需要和面、擀皮、配馅等环节,如果其中一个环节不到位,下锅后可能就露馅,现在这些工序合在一起,皮馅结合紧致,就不会露馅。“露馅的饺子还能吃,但零件‘露馅’就会疏松,只能报废。”

2016年7月份,张海鸥团队研发出微铸锻同步复合设备,并打印出全球第一批锻件:铁路关键部件辙叉和航空发动机重要部件过渡锻。专家表示,这种新方法制件“将为航空航天高性能关键部件的制造提供我国独创国际领先的高效率、短流程、低成本、绿色智能制造的前瞻性技术支持。”

更难能可贵的是,这种技术以高效廉价的电弧为热源,以低成本的金属丝材为原料,材料利用率为80%以上,传统工艺的材料利用率仅为5%。且无需大型铸锻铣设备和模具,通过计算机直接控制铸锻铣路径,大大降低了设备投资和运行成本。

与发达国家相比,我国3D打印产业大多停留在科研层面,一直处于“跟跑”阶段。要摆脱“跟跑”的尴尬,必须创新。

张海鸥介绍说,目前由“智能微铸锻”打印出的高性能金属锻件,已达到2.2米长,约260公斤,最大尺寸达2200毫米和1800×1400×20毫米,大小是欧美国家能够打印出来的高端金属件的4倍,也是世界上唯一可以打印出大型高可靠性能金属锻件的增材制造技术装备。现有设备已打印飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等8种金属材料。

令人难以置信的是,这项技术竟是张海鸥夫妇争论争出来的。王桂兰教授说,七八年前,张海鸥首次向她提出“铸锻铣一体化”构想,她认为这是异想天开,两人还争论了一场。张海鸥笑着说:“这不怪她,谁叫铸、锻、铣分离技术存在了上千年,要改变谈何容易?”不过争归争,张海鸥的设想打开了王桂兰的思路,她最后还是带着10多个学生展开实验,“当时想着要是行不通,也至少可以让他死心”。王桂兰说。

研发过程失败了很多次,他们也争论了很多次。王桂兰笑着说,“但之后,我又会不自觉地按他的思路继续试,错了就继续争,争完再接着干。”夫妇俩夜以继日地研发,全身心地投入到实验中,15年来几乎天天吃食堂,家里厨房一年用不了几次。

反复实验、不断试错之后,研究方向愈加清晰。2012年,张海鸥团队承接了西安航空动力股份有限公司委托的制造发动机过渡段零件任务。鉴定认为,张海鸥团队制造的产品与欧洲航天局的项目指标和数据相比,抗拉强度、屈服强度、塑性指标分别超过航空标准锻件的12.9%、31.4%、5.9%。

这一技术还能同时控制零件的形状尺寸和组织性能,大大缩短了产品生产周期,制造一个两吨重的大型金属铸件,过去需要3个月以上,现在仅需10天左右。

张海鸥团队在成功研发出该技术后,并未让技术躺在实验室里“睡大觉”,而是通过建立产业化基地——天昱公司开展技术转化和推广。

目前,在我国研制的新型战斗机上,一种新型复杂钛合金接头已经使用了该技术;航天某院也开展了和张海鸥团队的相关技术合作。与此同时,国外航空与动力业巨头也开始抢滩该领域。美国通用和空客纷纷上门洽谈合作。空客公司中国区COO弗兰索瓦·麦瑞表示,通过与张海鸥团队的合作,能使空客公司制造技术取得更大的突破,继续保持其商用飞机制造领域的全球领先地位。(魏劲松 通讯员 王潇潇)

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