張海鷗團隊：海鷗，領航金屬3D製造

上圖 張海鷗、王桂蘭夫婦。

張海鷗團隊演示金屬3D製造技術。 （資料圖片）

人物小

張海鷗，華中科技大學教授，該校數字製造裝備與技術國家重點實驗室工藝方向學術帶頭人，東京大學工學博士。曾主持完成20多項國家自然科學基金、863計劃、國防預研等課題，先後獲20項國內發明專利和1項國際發明專利。

弧光留下刺眼的烙印

無怨，那是冬日唯一的火種

烤炙著漫天的雪花

照亮著拓路者前行

更傳承著格物致知

……

這是一首節選自《奮鬥者之歌》的小詩，作者為華中科技大學碩士龔巨秋。他說，這首詩是送給他的導師、華科著名科研伉儷張海鷗、王桂蘭教授的禮物，也是研究生們跟隨導師艱難探索的紀實。

春節里，華科機械學院數字製造裝備與技術國家重點實驗室的實驗基地中，張海鷗團隊仍在加緊製造一批應用於航空領域的高端金屬鍛件。春節前，該團隊攜金屬3D製造技術和歐洲空中客車公司簽署了科研項目合作協議。這意味著，在不久的將來，空客飛機包括機翼、發動機等在內的飛機零部件將可能實現中國列印。

緊貼時代脈搏才有意義

在王桂蘭眼中，丈夫張海鷗是個多才多藝的人。「他的歌唱得非常好，我當時就是這樣上當的。」談起當年，50多歲的王桂蘭略有些羞澀。

1987年，在北京科技大學讀完研究生後，張海鷗隻身一人東渡日本。彼時，他想繼續學習軋鋼技術，但日本導師卻指點道：「這方面的技術，日本已經研究得差不多了。」一語驚醒夢中人，張海鷗隨即轉向，開始耕耘特種精密成形加工研究領域。

6年後，王桂蘭也到東京大學留學深造。「八千里路雲和月」「往事不堪回首」，王桂蘭這樣形容當年東渡日本艱辛求學歲月。黎明即起，每天用近4個小時的時間搭乘地鐵往返，深夜12點左右回到家，開始準備自己和丈夫第二天的飯菜。除完成導師布置的科研任務外，他倆博覽群書，就系列材料成形加工前沿技術收集了大量相關資料，整整裝滿了31個大箱子，這些資料都是為回國教學與研究做準備的。

1998年，張海鷗和王桂蘭放棄在日本東京大學的高薪聘請，回國任教。「當初回國時，清華大學、上海交大也發了邀請，我的叔叔、北航機器人院士張啟先建議我們去華科開展機器人應用材料成形加工的探索研究。後來，華科原校長周濟院士專門找我們深談。最終，我們選擇留在這裡。」張海鷗說。

張海鷗深有感觸地說：「我父母都是革命老幹部，可能受他們的影響吧，我覺得個人發展只有緊貼國家發展的脈搏才有意義和前途。」父母重病住院，他倆去醫院探望，每次二老都攆他們回校，囑咐他們「不要浪費了時間，要努力工作，報效祖國」。

當時，實驗室條件非常艱苦，逢雨天經常屋頂漏雨，地面滲水，「天上水，地下火，耀眼的電弧光刺得眼睛充血，面部脫了一層又一層皮」。學生們分成四班，輪流進實驗室，可是兩位教授卻從早到晚都堅守在第一線。他們甚至專門買了行軍床，攻堅階段就睡在實驗室。常年的艱苦奮鬥，導致兩位教授的身體常年處在亞健康階段。

經過不懈努力，他們帶領團隊用了15年的時間，終於破解了困擾金屬3D列印的世界級技術難題，實現了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新。

「包餃子」妙解世界難題

張海鷗夫婦剛到華科，就開始了創新的第一步――用等離子熔射技術製造金屬模具和金屬零件。

等離子技術並不是張海鷗首創，但應用等離子技術來製造金屬模具和零件，張海鷗卻是第一人。張海鷗將這一技術不斷完善、創新，並應用到許多關係國計民生的領域，如汽車模具製造、先進發動機高溫零部件製造等。

當時，金屬3D列印出的製件表面比較粗糙，無法直接當零件使用，需做後續機械加工，遇到複雜製件更是幾乎不可能實現。張海鷗帶領團隊反覆實驗，在金屬3D列印中複合了銑削，邊列印邊銑削加工，解決了上述難題，2004年一舉獲得國家發明專利。同時，在高溫零部件的製造上，他帶領團隊將原先需要5道工序才能完成的加工集成為一道工序。在轎車儀錶板模具製造上，他們將製造時間從原來的85天減少至37天。有企業敏銳地看到了它的前景，已經在世界上率先將其應用於豐田轎車儀錶板模具製造。

張海鷗團隊創新的步伐並未停止。2009年，他開始構想如何讓金屬3D列印製件具備鍛件性能，使之能應用於高端領域。「很多同行在這裡受阻或認可了3D列印不能列印鍛件的論斷。」張海鷗偏偏要去挑戰這樣一個大家都覺得不能完成的事，希望在金屬3D列印中加入鍛打技術，不用耗能耗時的成形後熱處理就能獲得等軸細晶鍛件組織性能。

「研發過程是痛苦的。」張海鷗說，有段時間問題不斷，前面問題剛解決，新問題又冒出來，加之2012年前國內外對3D列印並不看好，幾乎得不到支持。但張海鷗沒有放棄，他堅信這項技術具有戰略價值。他帶領團隊從早到晚在實驗室反覆實驗、不斷試錯。2010年，大型飛機蒙皮熱壓成形模具的誕生，驗證了張海鷗在3D列印中複合鍛打的可行性。其後，該技術不斷完善，列印出飛機用鈦合金、高溫合金、海洋深潛器、核電用鋼等高端金屬鍛件，其穩定性能均超過傳統製件。

近日，記者在張海鷗教授位於華中科技大學的數字製造裝備與技術國家重點實驗室的實驗基地，看到了這項融合了3D列印、半固態鍛造、機器人3項技術的最新成果。

進入實驗基地，一台長4米、高和寬均為2米的「鐵疙瘩」映入眼帘，它可是世界上首次成功列印出具有鍛件性能的高端金屬零件。在填充金屬絲材後，列印針頭來回移動，材料從3D列印針頭中被擠出來，物料在這一過程中被一層一層疊加成形，同時高溫熱處理，軋輥沿著熔積方向對熔積層鍛造，最後銑削成形。

「傳統工藝鑄造、鍛造、銑削是分別完成的，但在這台機器上實現了一體化。」張海鷗解釋說，如果把製作一個精密複雜零部件想成包餃子，那麼就需要和面、擀皮、配餡等環節，如果其中一個環節不到位，下鍋後可能就露餡，現在這些工序合在一起，皮餡結合緊緻，就不會露餡。「露餡的餃子還能吃，但零件『露餡』就會疏鬆，只能報廢。」

2016年7月份，張海鷗團隊研發出微鑄鍛同步複合設備，並列印出全球第一批鍛件：鐵路關鍵部件轍叉和航空發動機重要部件過渡鍛。專家表示，這種新方法製件「將為航空航天高性能關鍵部件的製造提供我國獨創國際領先的高效率、短流程、低成本、綠色智能製造的前瞻性技術支持。」

更難能可貴的是，這種技術以高效廉價的電弧為熱源，以低成本的金屬絲材為原料，材料利用率為80％以上，傳統工藝的材料利用率僅為5%。且無需大型鑄鍛銑設備和模具，通過計算機直接控制鑄鍛銑路徑，大大降低了設備投資和運行成本。

「異想天開」成就領跑地位

與發達國家相比，我國3D列印產業大多停留在科研層面，一直處於「跟跑」階段。要擺脫「跟跑」的尷尬，必須創新。

張海鷗介紹說，目前由「智能微鑄鍛」列印出的高性能金屬鍛件，已達到2.2米長，約260公斤，最大尺寸達2200毫米和1800×1400×20毫米，大小是歐美國家能夠列印出來的高端金屬件的4倍，也是世界上唯一可以列印出大型高可靠性能金屬鍛件的增材製造技術裝備。現有設備已列印飛機用鈦合金、海洋深潛器、核電用鋼等8種金屬材料。

令人難以置信的是，這項技術竟是張海鷗夫婦爭論爭出來的。王桂蘭教授說，七八年前，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，兩人還爭論了一場。張海鷗笑著說：「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？」不過爭歸爭，張海鷗的設想打開了王桂蘭的思路，她最後還是帶著10多個學生展開實驗，「當時想著要是行不通，也至少可以讓他死心」。王桂蘭說。

研發過程失敗了很多次，他們也爭論了很多次。王桂蘭笑著說，「但之後，我又會不自覺地按他的思路繼續試，錯了就繼續爭，爭完再接著干。」夫婦倆夜以繼日地研發，全身心地投入到實驗中，15年來幾乎天天吃食堂，家裡廚房一年用不了幾次。

反覆實驗、不斷試錯之後，研究方向愈加清晰。2012年，張海鷗團隊承接了西安航空動力股份有限公司委託的製造發動機過渡段零件任務。鑒定認為，張海鷗團隊製造的產品與歐洲航天局的項目指標和數據相比，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%。

這一技術還能同時控制零件的形狀尺寸和組織性能，大大縮短了產品生產周期，製造一個兩噸重的大型金屬鑄件，過去需要3個月以上，現在僅需10天左右。

張海鷗團隊在成功研發出該技術後，並未讓技術躺在實驗室里「睡大覺」，而是通過建立產業化基地――天昱公司開展技術轉化和推廣。

目前，在我國研製的新型戰鬥機上，一種新型複雜鈦合金接頭已經使用了該技術；航天某院也開展了和張海鷗團隊的相關技術合作。與此同時，國外航空與動力業巨頭也開始搶灘該領域。美國通用和空客紛紛上門洽談合作。空客公司中國區COO弗蘭索瓦?麥瑞表示，通過與張海鷗團隊的合作，能使空客公司製造技術取得更大的突破，繼續保持其商用飛機製造領域的全球領先地位。（經濟日報記者 魏勁松 通訊員 王瀟瀟）