上圖 張海鷗、王桂蘭夫婦。
張海鷗團隊演示金屬3D制造技術。 （資料圖片）
人物小傳
張海鷗，華中科技大學教授，該校數(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，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，先后獲20項國內(nèi)發(fā)明專利和1項國際發(fā)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(jié)選自《奮斗者之歌》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(jié)里，華科機械學院數(shù)字制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制造一批應用于航空領域的高端金屬鍛件。春節(jié)前，該團隊攜金屬3D制造技術和歐洲空中客車公司簽署了科研項目合作協(xié)議。這意味著，在不久的將來，空客飛機包括機翼、發(fā)動機等在內(nèi)的飛機零部件將可能實現(xiàn)中國打印。
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�！八母璩梅浅：�，我當時就是這樣上當?shù)��！闭勂甬斈辏?0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后，張海鷗只身一人東渡日本。彼時，他想繼續(xù)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(jīng)研究得差不多了�！币徽Z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年后，王桂蘭也到東京大學留學深造�！鞍饲Ю锫吩坪驮隆薄巴虏豢盎厥住�，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�！爱敵趸貒鴷r，清華大學、上海交大也發(fā)了邀請，我的叔叔、北航機器人院士張啟先建議我們?nèi)トA科開展機器人應用材料成形加工的探索研究。后來，華科原校長周濟院士專門找我們深談。最終，我們選擇留在這里�！睆埡ｚt說。
張海鷗深有感觸地說：“我父母都是革命老干部，可能受他們的影響吧，我覺得個人發(fā)展只有緊貼國家發(fā)展的脈搏才有意義和前途。”父母重病住院，他倆去醫(yī)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(jīng)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。常年的艱苦奮斗，導致兩位教授的身體常年處在亞健康階段。
經(jīng)過不懈努力，他們帶領團隊用了15年的時間，終于破解了困擾金屬3D打印的世界級技術難題，實現(xiàn)了我國首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創(chuàng)新。
“包餃子”妙解世界難題
張海鷗夫婦剛到華科，就開始了創(chuàng)新的第一步——用等離子熔射技術制造金屬模具和金屬零件。
等離子技術并不是張海鷗首創(chuàng)，但應用等離子技術來制造金屬模具和零件，張海鷗卻是第一人。張海鷗將這一技術不斷完善、創(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)動機高溫零部件制造等。
當時，金屬3D打印出的制件表面比較粗糙，無法直接當零件使用，需做后續(xù)機械加工，遇到復雜制件更是幾乎不可能實現(xiàn)。張海鷗帶領團隊反復實驗，在金屬3D打印中復合了銑削，邊打印邊銑削加工，解決了上述難題，2004年一舉獲得國家發(fā)明專利。同時，在高溫零部件的制造上，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。有企業(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。
張海鷗團隊創(chuàng)新的步伐并未停止。2009年，他開始構想如何讓金屬3D打印制件具備鍛件性能，使之能應用于高端領域�！昂芏嗤性谶@里受阻或認可了3D打印不能打印鍛件的論斷�！睆埡ｚt偏偏要去挑戰(zhàn)這樣一個大家都覺得不能完成的事，希望在金屬3D打印中加入鍛打技術，不用耗能耗時的成形后熱處理就能獲得等軸細晶鍛件組織性能。
“研發(fā)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(nèi)外對3D打印并不看好，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(zhàn)略價值。他帶領團隊從早到晚在實驗室反復實驗、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打印中復合鍛打的可行性。其后，該技術不斷完善，打印出飛機用鈦合金、高溫合金、海洋深潛器、核電用鋼等高端金屬鍛件，其穩(wěn)定性能均超過傳統(tǒng)制件。
近日，記者在張海鷗教授位于華中科技大學的數(shù)字制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打印、半固態(tài)鍛造、機器人3項技術的最新成果。
進入實驗基地，一臺長4米、高和寬均為2米的“鐵疙瘩”映入眼簾，它可是世界上首次成功打印出具有鍛件性能的高端金屬零件。在填充金屬絲材后，打印針頭來回移動，材料從3D打印針頭中被擠出來，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?qū)θ鄯e層鍛造，最后銑削成形。
“傳統(tǒng)工藝鑄造、鍛造、銑削是分別完成的，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�！�
2016年7月份，張海鷗團隊研發(fā)出微鑄鍛同步復合設備，并打印出全球第一批鍛件：鐵路關鍵部件轍叉和航空發(fā)動機重要部件過渡鍛。專家表示，這種新方法制件“將為航空航天高性能關鍵部件的制造提供我國獨創(chuàng)國際領先的高效率、短流程、低成本、綠色智能制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(tǒng)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(fā)達國家相比，我國3D打印產(chǎn)業(yè)大多停留在科研層面，一直處于“跟跑”階段。要擺脫“跟跑”的尷尬，必須創(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，最大尺寸達2200毫米和1800×1400×20毫米，大小是歐美國家能夠打印出來的高端金屬件的4倍，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�，F(xiàn)有設備已打印飛機用鈦合金、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，她最后還是帶著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(fā)過程失敗了很多次，他們也爭論了很多次。王桂蘭笑著說，“但之后，我又會不自覺地按他的思路繼續(xù)試，錯了就繼續(xù)爭，爭完再接著干�！狈驄D倆夜以繼日地研發(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。
反復實驗、不斷試錯之后，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托的制造發(fā)動機過渡段零件任務。鑒定認為，張海鷗團隊制造的產(chǎn)品與歐洲航天局的項目指標和數(shù)據(jù)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(chǎn)品生產(chǎn)周期，制造一個兩噸重的大型金屬鑄件，過去需要3個月以上，現(xiàn)在僅需10天左右。
張海鷗團隊在成功研發(fā)出該技術后，并未讓技術躺在實驗室里“睡大覺”，而是通過建立產(chǎn)業(yè)化基地——天昱公司開展技術轉化和推廣。
目前，在我國研制的新型戰(zhàn)斗機上，一種新型復雜鈦合金接頭已經(jīng)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(yè)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(qū)COO弗蘭索瓦·麥瑞表示，通過與張海鷗團隊的合作，能使空客公司制造技術取得更大的突破，繼續(xù)保持其商用飛機制造領域的全球領先地位。（經(jīng)濟日報記者 魏勁松 通訊員 王瀟瀟）
【點評】
重視“小草”的大創(chuàng)新
張海鷗和他的團隊火了。自去年7月份他發(fā)明的3D金屬制造技術公布以來，業(yè)內(nèi)高度關注，就連空中客車公司、美國通用電氣公司這樣的國際標桿企業(yè)也不遠萬里，前來與其洽談、簽約。來自全球制造業(yè)領軍者的肯定，無疑是對這項創(chuàng)新技術的高度認可。
但是，網(wǎng)絡上對這一技術的評價卻呈現(xiàn)兩極化。大部分網(wǎng)友評價正面、積極，但也有少數(shù)質(zhì)疑聲音，例如，“懂行的都知道沒啥用”“技術創(chuàng)新意義不大，只是在噴嘴后面加了個錘子”“根本就是用焊條生生摞出的工件”。而在剛剛結束的國家增材重點專項評審中，張海鷗團隊竟然落選了。那廂，是國際標桿企業(yè)的熱捧，這廂，卻是評選結果名落孫山。其中的信息，值得品味。
像絕大多數(shù)一線科研工作者一樣，張海鷗沒有過高的行政職務，也沒有耀眼的光環(huán)，甚至從未拿過單項金額超100萬元的科研課題。他只是一棵創(chuàng)新之林中的“小草”，這也是中國絕大多數(shù)一線科技工作者的寫照與常態(tài)。
不過，張海鷗和他的團隊有一股“不服輸”的精神，其3D金屬制造技術更不可小視。首先，這項技術首次將分離數(shù)百年的鑄造、鍛壓、焊接與熱處理合而為一，實現(xiàn)了“鑄鍛銑一體化”。其次，這項技術將3D打印變?yōu)?D制造。3D打印技術問世30多年了，但是金屬3D打印本質(zhì)上仍是一種3D鑄造，處于“中看不中用”的階段。張海鷗團隊打出首個3D鍛件，且零件多個性能高出傳統(tǒng)鍛件，這無疑是一次重大突破。最后，這一技術能制造出超過1米的大型鍛件，朝著推廣應用再進一步。這也是這一技術能引起空客、通用高度關注的主要原因。
創(chuàng)新不是一件容易的事，需要以10年為單位的時間投入，需要成千上萬次的試驗測試，需要無比深厚的學識積累，需要常人難以忍耐的潛心苦研，需要那一剎那的靈光一現(xiàn)。但創(chuàng)新最不需要的，就是問出處、比出身、拼資歷、論大小。用創(chuàng)新成果和市場反應之外的標準去評判創(chuàng)新，是對創(chuàng)新的莫大傷害。
今日之中國，從未像今天這般呼喚創(chuàng)新。在《中國制造2025》這份雄心勃勃的計劃中，中國制造業(yè)要擼起袖子，加油趕超，在30多年的時間里，與美德英日等制造強國比肩而立。要實現(xiàn)這個不小的目標，沒有大量敢創(chuàng)新、愿創(chuàng)新、能創(chuàng)新的“小草”，不行！沒有大量顛覆性的技術革新，不行！沒有鼓勵創(chuàng)新、呵護創(chuàng)新的氛圍，不行！論資排輩分項目、建基地，那更不行！
有人說，創(chuàng)新之花，人們往往驚羨它現(xiàn)時的明艷。然而當初，它的芽兒卻浸透了奮斗的淚泉，灑滿了犧牲的血雨。的確如此。在創(chuàng)新已無比緊迫的當下，倘若有更多的人，愿意把驚羨的時間與精力放在呵護嬌嫩、脆弱的創(chuàng)新之花上，相信，將有更多明艷的花兒競相開放。（原文來源：經(jīng)濟日報 作者：胡文鵬）
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