近日，國家科學技術獎勵工作辦公室公示了2020年度國家科學技術獎的受理項目名單，其中“大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術與裝備”提名2020年度國家技術發(fā)明獎一等獎。該成果由中國科學家張海鷗帶領團隊歷時十七年研發(fā)完成。業(yè)內(nèi)普遍認為，這項原創(chuàng)的金屬3D打印技術或將成為我國高端裝備制造業(yè)高質量發(fā)展的推進器。

國家技術發(fā)明獎授予運用科學技術知識做出產(chǎn)品、工藝、材料及其系統(tǒng)等重大技術發(fā)明的中國公民。金屬3D打印“微鑄鍛”技術由湖北省科技廳向國家科學技術獎勵工作辦公室提名，入圍2020年度國家技術發(fā)明獎一等獎候選名單。提名意見描述，“該重大原創(chuàng)性成果，有力支撐我國高端裝備自主創(chuàng)新，引領短流程制造技術革命和傳統(tǒng)工業(yè)綠色轉型升級。”

該技術由華中科技大學教授張海鷗首創(chuàng)、武漢天昱智能制造有限公司孵化，團隊創(chuàng)造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一，顛覆了自古整體先鑄后鍛的認知，首創(chuàng)微鑄鍛增等材同步制造方法與理論，發(fā)明并研發(fā)了一批具有自主知識產(chǎn)權和核心競爭力的微鑄鍛同步制造系列技術與裝備，攻克了大型復雜高端鍛件無法高品質短流程制造的"卡脖子"難題。

專家組認為，這項原創(chuàng)金屬3D打印技術能夠提名國家技術發(fā)明一等獎，充分說明，該技術在原創(chuàng)性、領先性、技術難度與成熟完備性的巨大優(yōu)勢，以及社會效益及發(fā)展前景的巨大潛力。

▲ 公告顯示，"大型復雜高端零件微鑄鍛同步超短流程制造技術與裝備"歸屬國家技術發(fā)明獎一等獎材料與冶金組（雙擊可放大查看），天昱智造首席科學家張海鷗為第一完成人

硬核科技助力團隊拿到復工復產(chǎn)后的首個核電領域大單

一個月前，為保證國防重大項目的如期完成，張海鷗師徒在武漢未開封時，毅然選擇逆行，親臨金屬3D打印“微鑄鍛”裝備的生產(chǎn)基地——天昱智造開啟復工復產(chǎn)工作。4月14日，國家工業(yè)和信息化部黨組成員、副部長王江平一行走訪天昱智造，對團隊在復工復產(chǎn)方面的工作給予肯定，特別對企業(yè)自主核心技術高度贊揚。王江平表示："該技術是綠色的、性能優(yōu)異的金屬3D打印技術；希望企業(yè)堅持落實防疫工作、為行業(yè)發(fā)展做出進一步貢獻。" 

在生產(chǎn)廠房里，弧光閃爍、機聲轟鳴。記者在現(xiàn)場見到，一個個復雜金屬零件結合獨特微鑄鍛銑工藝，邊打印邊加工，猶如一件件藝術品驚艷亮相于生產(chǎn)線上。“我們通過在線采集光、電、熱、力、聲等全方位信號數(shù)據(jù)，并自寫算法建模分析進行穩(wěn)定性監(jiān)測與缺陷判定，實現(xiàn)邊鑄邊鍛、鑄鍛同步、形性同控，從而確保增材制造鍛件的高可靠性與穩(wěn)定性。”張海鷗團隊博士生王湘平與符友恒介紹，“鑄鍛銑一體化的制造過程必須得做到極致的嚴謹，弧光跳動稍有異常甚至成形聲音不對都會對鑄鍛形性造成影響。畢竟，這些高端零件都是應用于航空航天、鐵路船舶、兵器工業(yè)等領域的大國重器中，絕不能有半點閃失！”

復工以來，3D打印“微鑄鍛”產(chǎn)業(yè)化團隊已拿到首個核電領域訂單，科研團隊也在加緊研發(fā)涉及航空航天、艦船等領域的新型高端零件，包括鋁合金艙段、不銹鋼泵推葉輪、超高強鋼吊掛盒段底梁，以及鈦合金吊掛外后接頭等。“盡管疫情讓我們按下了幾個月的暫停鍵，但我們的科研工作一刻也沒有停，現(xiàn)在全員復工后，我們加足馬力生產(chǎn)，年前積壓的訂單加上現(xiàn)在的新訂單，一年的產(chǎn)能可達到5000萬左右。”張海鷗信心滿滿地說。

原創(chuàng)“微鑄鍛”攻克3D打印傳統(tǒng)技術難題或將改變世界金屬3D打印格局

傳統(tǒng)機械制造中，澆鑄后的金屬材料不能直接加工成高性能零部件，必須通過鍛造改造其內(nèi)部結構，解決成型問題。但是對超大鍛機的過度依賴，導致機械制作投資大、成本高且制作流程長、能耗巨大、污染嚴重、浪費嚴重并難以制作梯度功能材料零件。

常規(guī)金屬3D打印技術同樣存在致命缺陷：一是沒經(jīng)過鍛造，綜合力學性能不及鍛件，尤其是韌性和疲勞性能；二是冶金質量難以控制，易產(chǎn)生氣孔、未熔合等冶金缺陷；三是設備成本和制造成本較高，熱源多采用大功率激光或電子束，需整體密閉保護，成形空間有限，材料成本昂貴。

因此，現(xiàn)有技術未能解決大型復雜高端鍛件高品質短流程制造的“卡脖子”難題，無法滿足重點領域高端裝備優(yōu)質高效低成本研制之急需。

為解決這一世界性難題，張海鷗團隊經(jīng)過十多年潛心攻關，研制出微鑄鍛同步復合設備創(chuàng)造性地將金屬鑄造、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。其制造品質和效率遠優(yōu)于國際同類水平：僅用萬噸鍛機萬分之一壓力，獲合金鋼12級均勻超細等軸晶，遠高于傳統(tǒng)制造8級，疲勞壽命超過國際航空鍛件水平；裝備可鍛面積全球最大，成形效率為國外頂級水平的3倍，節(jié)能90%。

“金屬3D打印‘微鑄鍛’技術完全改變了傳統(tǒng)機械制造長期依靠高能耗、重污染的方式，或將開辟機械制造史上前所未有的綠色制造時代，使傳統(tǒng)制造的不可能成為可能。”張海鷗說?！斑@也正是我們此次申報國家技術發(fā)明一等獎的底氣所在！”

華中大“居里夫婦”：用夸父追日的堅韌打磨一件事

▲在生產(chǎn)現(xiàn)場的張海鷗、王桂蘭夫婦

寶劍鋒從磨礪出，一個個硬核成果的背后是無數(shù)的汗水與無盡的堅持。1998年，張海鷗和妻子王桂蘭在日本東京大學完成學業(yè)后回國，共同任教于華中科技大學。海鷗夫婦的家離實驗室很近，用張海鷗的話說就是“700米，1300步”。即便這么近，他們還是覺得耽誤時間，索性搬來一張行軍床，困了就在實驗室里躺一躺；平時學生們都是“四班倒”，而兩位教授卻始終“在一線”。正是如此，夫婦倆被師生們親切地稱為華中大“居里夫婦”。    

“當年與實驗室王湘平、符友恒、唐尚勇等徒兒們，在通風不良、雨天屋頂瀑布、地面汪汪積水的破舊廠房里，度過了數(shù)不清的日日夜夜。印象最深的是盛夏時節(jié)，炙熱的等離子弧灼烤著臉頰，眼睛刺得睜不開、皮膚火辣辣地疼，全身奇癢、蛻皮。。。”張海鷗回憶最初的日子，感慨萬千。陪伴他堅持下來的，正是他的夫人王桂蘭與一屆又一屆的徒兒們。

對理想的追求，對科學的虔誠，是張海鷗夫婦二人堅定不移的信仰，他們的堅韌也感染了無數(shù)的學生。一名碩士生在畢業(yè)時還專門作了一首詩——《奮斗者之歌》，將兩位導師比作追逐太陽的夸父之子，這首詩正是對兩位孜孜不倦專心科研的真實寫照。

功夫不負有心人。2016年，團隊開發(fā)出全球首創(chuàng)的多自由度協(xié)同柔性變胞輕型緊湊裝備，短流程制造出優(yōu)異疲勞壽命的大型復雜鍛件，完成了內(nèi)燃機過渡段、螺旋槳、轍叉、飛機掛架、航空發(fā)動機匣、球閥、承力鋼構、航空電力件、航空發(fā)動機關鍵承力件等全系列微鑄鍛產(chǎn)品打印裝備開發(fā)。目前，產(chǎn)品已應用于大型飛機、航空發(fā)動機、燃氣輪機、航天、船舶、先進軌道交通、核電等多個大國重器的裝備制造領域。

▲應用實例（部分）

▲大型鑄鍛銑復合增材設備（部分）

“中國打印”助推我國高端裝備制造業(yè)高質量發(fā)展

習近平總書記指出，裝備制造業(yè)是制造業(yè)的脊梁，要加大投入、加強研發(fā)、加快發(fā)展，努力占領世界制高點、掌控技術話語權，使我國成為現(xiàn)代裝備制造業(yè)大國。以自主研發(fā)打造國之重器，以創(chuàng)新驅動推動裝備制造業(yè)高質量發(fā)展，可以更好地推動實現(xiàn)我國制造強國夢。

當前, 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，其中金屬3D打印領域不僅是該項技術的重要發(fā)展方向之一，更是助力中國邁向現(xiàn)代裝備制造業(yè)大國的突破口和試金石。

    隨著第四次工業(yè)革命大幕的徐徐拉開，張海鷗夫婦已鉚足干勁，帶領團隊在踐行中國制造強國夢的道路上越行越遠：“原創(chuàng)的金屬3D打印技術是中國從制造大國向制造強國轉變的推進器，或將掀起世界高端裝備制造業(yè)的革命。我期待，不僅是中國的大飛機、大船舶能夠實現(xiàn)‘中國打印’，其他國家的高端裝備也能刻上‘中國打印’的烙?。　?/p>