——记华中科技大学二级教授张海鸥

□记者/陈思炎   通讯员/胡艳华  王潇潇

张海鸥教授近影（陈思炎摄影)

人物名片：

张海鸥，东京大学工学博士；现为华中科技大学二级教授，创形创质并行研究中心主任，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。兼任中国机械工程学会特种加工分会常务理事，省特种加工学会理事长、汽车工程学会常务理事、Rapid Prototyping Journal等杂志审稿人、中国机械工程杂志特邀评审专家。主持完成国家自然科学基金、863、总装预研、国防预研等课题20多项，与西航动力、西飞国际、中船重工461、东风汽车、武钢等公司合作多项，在Journal of Applied Physics、Power sources、中国科学等国内外权威和核心杂志上发表论文200余篇。因开发“熔射制造碳化钨合金模具技术”而获得东京大学工学博士学位、作为中国学者首次获日本模具技术协会奖（排名第一），并写入日本粉体粉末协会研究功绩奖。2012年底欧共体增量制造研究机构在著名的《Rapid Prototyping Journal》杂志综述文章中引用3篇中国研究论文皆出自他的团队，研发的技术唯一被列为来自中国的国际金属零件高效直接成形技术之一；先后获20项中国发明专利和1项国际发明专利。

3D打印作为一项前沿性的先进制造技术，已经成为全球新一轮科技革命和产业革命的重要推动力。而全球3D打印行业共同面对的最大障碍是打印出的材料达不到经久耐用的要求，只是满足于“模型制造”和展示阶段，但这一现状目前被中国科学家打破。经过15年的潜心攻关，由华中科技大学机械科学与工程学院教授张海鸥主导研发的一项金属3D打印技术——“智能微铸锻”，在3D打印技术中加入了锻打技术，成功制造出世界首批3D打印锻件。该成果打破了3D打印行业存在的最大障碍，改变了长期以来由西方引领的“铸锻铣分离”的传统制造历史，开启了人类实验室制造大型机械的时代新篇章，并将给全球机械制造业带来颠覆性创新。近日，记者对张海鸥教授进行了专访。

团队合影

向“等离子”技术“宣战”

在华中科技大学，张海鸥和王桂兰被喻为“华科的居里夫妇”。在王桂兰眼中，张海鸥是位多才多艺的教授。“他的歌唱得非常好，我当时就是这样上当的。”谈起当年，王桂兰略有些羞涩。

“你不知道吧？在北京科技大学读研究生时，他可是合唱团的男生领唱呢。另外，他的乒乓球也打得不错，游泳也很好。”王桂兰这样告诉记者，后来，张海鸥去了日本东京大学念博士，王桂兰夫唱妇随，也去了东京大学当客座研究员。

“我父母都是老革命干部，可能受他们的影响吧，我觉得个人发展应该是与国家发展相结合的。所以，我从来没有想过在国外定居。不过当初回国时，清华大学也发了邀请。后来，原校长周济专门找我深谈。我感到了一种很强的信任和期望，最终我们选择了华中科技大学。”张海鸥说。

1998年，毕业于日本东京大学的张海鸥携夫人王桂兰刚来华中科技大学时，带来了一个“新招儿”——用“等离子”技术制造金属模具和金属零件。“等离子”是什么？简单地说，“等离子”和“激光”都是通过高能束来熔化金属粉末，制造金属模具。但是由于两者的发生装置和加工方式的不同，所以与“激光”相比，“等离子”具有成本低、成形率高等优点。

“等离子”技术并不是张海鸥的首创，但应用“等离子”技术来制造金属模具和金属零件，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等等。他在这一方向上取得的成绩已获得了国内同行的普遍认同，并已引起了国外同行的广泛关注。

“创新不仅仅是在技术上创新，更重要的是在学科体系上创新。” “别人做过的我不做。”在东京大学读博士时，导师的这句话给张海鸥留下了深刻印象。他认为，创新应该是一个科学工作者的必备素质。因此，在张海鸥开辟的研究方向上，处处都体现了创新精神。

如在高温零部件的制造上，他带领团队将原先需要五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。日本的一家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。

张海鸥教授与科研人员交流（陈思炎摄影)

“包饺子”理论妙解世界难题

“1986年，自美国发明3D打印技术以来，这一技术受到各国高度重视。然而，常规金属3D打印技术存在诸多缺陷，这一技术并无法进入工程化应用，尤其是应用于高端锻件。为此，全球科学家绞尽脑汁，致力于突破常规金属3D打印技术的关键瓶颈——铸态缺陷及柱状晶组织特征造成的制件性能不及锻件，为本国机械制造业的发展赢取主动权。”张海鸥说，为解决这一世界性难题，他带领他的团队进行了研究。

张海鸥介绍，传统机械制造存在以下严重缺陷：一是依赖超大锻机、锻模，投资大，成本高；二是制造流程长，需多次加热，能耗巨大，污染严重；三是制造整体大型薄壁件，只能采取减材制造方法，材料去除率高达95 %，浪费严重；四是难以制造梯度功能材料（两种以上性质差异较大复合材料）零件，如：航空发动机多功能整体涡轮盘等。

与此同时，作为后起之秀的常规金属3D打印技术在国际上受到机械制造业的青睐。目前，金属3D打印技术已经在航空航天、模具以及汽车等领域开始获得大规模应用，欧美国家仅在航空领域应用就超过8%。然而，美国航空航天局分析测试报告表明，常规金属3D打印同样存在严重缺陷：一是由于没有经过锻造，金属抗疲劳性严重不足；二是急冷凝固生成发达的柱状晶组织，存在明显各向异性，使得制件性能不高（这是金属3D打印应用于高端锻件的瓶颈）；三是存在气孔和未熔合部分；四是3D打印大都采用激光、电子束为热源，成本高昂。因此，美国通用电气公司认为常规3D打印技术不能用于制造锻件。

经过15年潜心攻关，张海鸥和他的团队独立研制的微铸锻同步复合设备创造性地将已有千年历史的人类金属铸造、锻压技术合二为一，实现了首超西方的微型边铸边锻的颠覆性原始创新，大幅提高了制件强度和韧性，提高了构件的疲劳寿命和可靠性。新技术不仅能打印薄壁金属零件，而且大大降低了设备投资和原材料成本。

这项技术带来两个历史性重大突破：一是将改变长期以来由西方引领世界的“铸锻铣分离”的传统制造历史；二是在世界上首次铸锻铣一体化3D打印出高性能锻件，有望开启人类在一台设备上绿色制造高端金属锻件的新的历史。

“传统工艺铸造、锻造、铣削是分离进行的，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。”

张海鸥教授指导学生

首超西方的颠覆创新

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。现有设备已打印飞机用钛合金、海洋深潜器、核电用钢等八种金属材料。在零件尺寸方面也取得重大进展，已打印出最大尺寸2200毫米和1800×1400×20毫米尺寸的大型零件。

此前世界激光选择性熔化3D打印金属零件最大尺寸是德国一家公司的630毫米，均为一米以下的小型件。目前，此项张海鸥主导研发的国际发明专利技术装备，不仅可以打印出4倍于上述激光3D打印最大尺寸金属零件，而且还可以打印与激光送粉成形和电子束送丝成形尺寸相当的零件，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。

但不为人知的是，这项技术居然是张海鸥教授夫妇“吵架”吵出来的。王桂兰教授说，2008年，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，两人还吵了一架。张海鸥教授笑着说：“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？”不过吵归吵，张海鸥的设想打开了王桂兰的思路，她最后还是带着10多个学生进行实验，“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，他们也吵了很多次。“每次失败他都会挨我一顿抨击。”王桂兰笑着说，“但我又会不自觉按他的思路继续试，错了就继续吵，吵完再接着干。”夫妇俩夜以继日地进行研发，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。

2012年8月，张海鸥团队与西安航空动力股份有限公司合作，承接了后者委托的制造发动机过渡段零件任务。这种零件壁厚差大，采用传统熔模铸造方法制造，容易出现裂纹、疏松、气孔和变形，合格率极低，不足10%；且因该零件材料为中碳合金钢，可焊性极差，制造难度是对3D打印技术的一次挑战。张海鸥团队采用自主开发的铸锻合一技术首次成功制造出发动机过渡段零件。

2015年10月，西安航空动力公司工艺技术中心鉴定认为，张海鸥团队制造的产品，经X光内部检测无缺陷；复合成形件达到微米晶超强钢水平；与欧洲航天局的项目指标和数据相比，冶金质量完全达到严格的乌克兰航空发动机检验标准，而且抗拉强度、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%。这一成功再次表明：该3D打印技术不仅可用于可焊性较好的低碳钢、不锈钢、钦合金等，还可拓展至可焊性差的中高碳钢、合金钢、超高强韧耐磨钢等，具有广泛的材料适用性。截至目前，这种制造方法在国际上尚无先例。

新技术致力于“国之重器”

“常规金属3D打印实际是一个铸造过程，其死穴是打印出的材料是粗大柱状晶或枝状晶，从而导致零件内部的各向异性，不能形成高性能致密组织，造成‘中看不中用’，热热闹闹却无法高端应用的局面。”张海鸥介绍说，现在他的新技术攻破了这一难题。

经过专家验证，已证实由这种微铸锻生产的零部件，各项技术指标和性能均稳定超过传统铸件与锻件。同时，该技术以金属丝材为原料，材料利用率达到80%以上，丝材料价格成本为目前普遍使用的激光扑粉粉材的1/10左右。在热源方面，使用高效廉价的电弧为热源，成本为目前普遍使用的大多需要进口的激光器的1/10。而且由于这一技术能同时控制零件的形状尺寸和组织性能，大大缩小了产品周期：制造一个两吨重的大型金属锻件，过去需要三个月以上，现在仅需十天左右。

据了解，我国研制的新型战斗机上，一种新型复杂钛合金接头将使用该技术。由于部件复杂，采用传统方法无法整体制造，只能降低设计标准，将零件拆分成多个部位制造后再连接，使该战机先进性能受到影响，使用寿命变短。目前，张海鸥团队的铸锻铣一体化整体3D打印技术与装备，已开始与该团队合作研发攻关。用3D技术打印出来的TC4钛合金抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性均超过传统锻件。

今年3月16日，原航空航天工业部部长林宗棠专程考察张海鸥教授负责的创形创质研究室，调研了其团队发明的全新增材制造技术与装备，现场仔细观察了金相显微镜下铸锻前后增材成形微观组织，详细询问了材料参数、工艺条件，充分肯定了张海鸥团队多年艰苦努力所做的开拓性工作，高度评价该团队为我国高端零件增材制造技术发展所做的贡献和取得的成就，鼓励该团队坚持不懈、大干快上、继续创新，争取在大中型高端金属零件智能增材制造领域取得更大突破，为我国航空发动机、飞机及舰船等关键重大承力件等国防和国家先进制造领域高端零件的增材制造作出更大贡献。

为此，包括林宗棠在内的多位专家建议，在《中国制造2025》重大专项中列入此项技术，同时重点推动该技术与装备在航空航天、先进两机、核电、舰船、高铁等重点支柱领域的应用，让这一技术首先提高我国的制造能力与国防实力，将技术优势变为竞争实力，成为实现先进制造领域“中国梦”的国之重器、战略推手，开辟机械制造史上前所未有的绿色时代。