1

提及“卡脖子”難題，公眾往往首先聯(lián)想到光刻機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)或高端芯片。

2

實(shí)際上，中國已掌握一項(xiàng)隱秘卻至關(guān)重要的技術(shù)，正悄然重塑航空航天制造格局。

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這項(xiàng)由華中科技大學(xué)張海鷗教授領(lǐng)銜研發(fā)的鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術(shù)，具備一次成型高強(qiáng)度鈦合金構(gòu)件的能力，同時(shí)集成復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)，令傳統(tǒng)加工手段望塵莫及。

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美國曾三次出高價(jià)試圖引進(jìn)，均遭拒絕，該技術(shù)隨后被納入國家禁止出口目錄，足見其戰(zhàn)略地位之高。

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這項(xiàng)技術(shù)究竟突破了哪些瓶頸？它又將為中國高端制造帶來何種深遠(yuǎn)影響？

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鑄鍛銑一體化金屬3D打印

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以往生產(chǎn)大型鈦合金部件，如殲-20機(jī)體大隔框、長征系列火箭燃料箱環(huán)件或C919主起落架支柱，流程極為繁瑣。

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需先澆鑄坯料，再進(jìn)行多輪開坯鍛造與熱處理，最后依賴五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床逐層切削精加工。整個(gè)過程工序繁雜，多達(dá)十余個(gè)環(huán)節(jié)，周期漫長，工藝要求極高。

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原材料利用率普遍低于10%，造成極大浪費(fèi)，單個(gè)零件成本常達(dá)數(shù)百萬元甚至超千萬元，制造周期以月計(jì)，廢品率居高不下。

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此類傳統(tǒng)模式不僅投入巨大，且效率低下，難以滿足現(xiàn)代航空航天裝備快速迭代和批量交付的緊迫需求，亟需顛覆性技術(shù)實(shí)現(xiàn)升級換代。

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正是在這一背景下，張海鷗團(tuán)隊(duì)的鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

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該技術(shù)將鑄造、鍛造與銑削三大工藝融合于同一設(shè)備中，在金屬逐層熔融沉積的同時(shí)，采用高頻微鍛錘對新生成層實(shí)施動(dòng)態(tài)壓實(shí)，促使晶粒細(xì)化至微米級別，有效消除氣孔與裂紋缺陷。

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最終所得零件在強(qiáng)度、韌性等關(guān)鍵性能指標(biāo)上媲美甚至超越傳統(tǒng)模鍛件。

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原本需要多臺設(shè)備接力完成的十幾道工序，如今僅靠一臺機(jī)器即可實(shí)現(xiàn)一體成形，顯著壓縮生產(chǎn)周期，大幅降低報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)。

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傳統(tǒng)金屬增材制造依賴進(jìn)口高功率激光器與專用球形金屬粉末，導(dǎo)致運(yùn)行成本長期居高不下。

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張海鷗團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，選用國產(chǎn)電弧作為熱源，以常規(guī)焊絲為原材料，成功打破成本壁壘，使綜合制造成本降至原有路線的幾十分之一。

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單臺設(shè)備的功能覆蓋相當(dāng)于一條完整的傳統(tǒng)鍛造生產(chǎn)線，占地面積小、能源消耗低、作業(yè)環(huán)境清潔，徹底擺脫重體力勞動(dòng)與高污染作業(yè)。

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更可貴的是，能夠直接打印內(nèi)置冷卻流道、蜂窩狀輕量化構(gòu)型等復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)鍛造中根本無法實(shí)現(xiàn)。

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目前，殲-20的關(guān)鍵鈦合金承力框架、長征系列運(yùn)載火箭儲(chǔ)箱大環(huán)、C919主起落架核心支撐件以及衛(wèi)星主體支架均已通過該技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)。

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盡管國外也在推進(jìn)金屬3D打印研究，但多數(shù)仍停留在“先打印后鍛造”的兩階段模式，性能差距明顯，落后我國至少兩代技術(shù)水平。

21

依托此項(xiàng)技術(shù)的高度靈活性與卓越性能表現(xiàn)，中國已在大型高性能鈦合金構(gòu)件制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全面自主掌控，為高端裝備制造筑牢技術(shù)根基，充分展現(xiàn)國家科技攻堅(jiān)實(shí)力。

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二十年攻堅(jiān)

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早在1995年，張海鷗便投身于金屬增材制造領(lǐng)域的探索工作。

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初期采用激光熔覆金屬粉末的方式進(jìn)行試驗(yàn)，但所獲樣品力學(xué)性能不足，組織缺陷頻發(fā)，成品合格率極低。

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面對挫折，他未選擇退縮。靈光一閃間，萌生出將鍛造致密化機(jī)制嵌入增材過程的核心構(gòu)想。

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2009年，國家啟動(dòng)高檔數(shù)控機(jī)床重大科技專項(xiàng)，他全身心投入攻關(guān)，將全部精力聚焦于這一前沿方向。

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張海鷗攜手妻子王桂蘭及課題組學(xué)生，十余年來堅(jiān)持不懈。他們在實(shí)驗(yàn)室反復(fù)調(diào)試參數(shù)，經(jīng)歷無數(shù)次失敗，始終未曾動(dòng)搖信念。

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2013年，團(tuán)隊(duì)終于成功制備出首批合格的小尺寸驗(yàn)證件。

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2016年，首臺具備工程應(yīng)用價(jià)值的整機(jī)正式誕生；2018年經(jīng)工信部組織專家鑒定，九位院士一致認(rèn)定：該技術(shù)屬國際首創(chuàng)、達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

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消息一經(jīng)發(fā)布，立即在國際航空航天界引發(fā)強(qiáng)烈震動(dòng)。海外企業(yè)紛紛聞風(fēng)而動(dòng)，爭相前來洽談技術(shù)合作與轉(zhuǎn)讓事宜。

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傳聞美國多家機(jī)構(gòu)曾三次向張海鷗提出收購請求，報(bào)價(jià)從最初的8億元逐步攀升至超過30億元人民幣。無論對方開出何等優(yōu)厚條件，張海鷗始終堅(jiān)持原則，堅(jiān)決不予出讓。

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2020年8月，商務(wù)部與科技部聯(lián)合發(fā)布《中國禁止出口限制出口技術(shù)目錄》，明確將“鑄鍛銑一體化金屬3D打印關(guān)鍵技術(shù)”列入禁止出口清單。2023年版本進(jìn)一步強(qiáng)化管控范圍與執(zhí)行力度。

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這二十余年持之以恒的技術(shù)積累與自主創(chuàng)新，推動(dòng)中國在航空航天制造關(guān)鍵環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了真正意義上的自主可控。

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從最初屢試屢敗的實(shí)驗(yàn)摸索，到如今成為國家戰(zhàn)略級核心技術(shù)，這段歷程凝聚著科研人員的智慧與汗水，更是國家硬核科技能力的真實(shí)寫照。

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每一臺設(shè)備的成功交付，每一個(gè)復(fù)雜零件的順利成形，都在不斷加固中國航空航天產(chǎn)業(yè)的技術(shù)護(hù)城河，使得任何外部封鎖與制裁都難以撼動(dòng)我國在此領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

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未來行業(yè)影響

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鑄鍛銑一體化金屬3D打印的戰(zhàn)略意義，絲毫不遜于光刻機(jī)之于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的地位。

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如果說光刻機(jī)制約的是芯片產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展命脈，那么這項(xiàng)技術(shù)則牢牢掌控著航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)與核電核心部件的制造主動(dòng)權(quán)。

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過去，全球僅有少數(shù)國家掌握大型鈦合金承力結(jié)構(gòu)件制造能力，美國與俄羅斯憑借巨型鍛壓設(shè)備長期壟斷市場，中國一度只能依賴進(jìn)口解決急需。

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如今，中國可自由設(shè)計(jì)并打印任意尺寸、任意復(fù)雜度的高性能金屬構(gòu)件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間空前廣闊，產(chǎn)品一致性與穩(wěn)定性顯著提升。

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國內(nèi)已部署超過500套該類設(shè)備，最大成形能力已達(dá)12米×4米×3米，新一代超大型機(jī)型已應(yīng)用于重型運(yùn)載火箭整體箭體段的一體化打印任務(wù)。

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技術(shù)材料體系已從鈦合金拓展至高溫合金、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼及鎂合金等多種金屬體系，打印速度、精度與構(gòu)件尺寸持續(xù)優(yōu)化升級。

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國際主流仍沿用激光選區(qū)熔化的傳統(tǒng)增材路徑，尚未意識到將原位鍛造引入打印過程所帶來的革命性變革。

44

未來新一代戰(zhàn)斗機(jī)、深空探測火箭以及第四代核電裝置的性能躍升，將在很大程度上依賴于此項(xiàng)技術(shù)提供基礎(chǔ)支撐。

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掌握這項(xiàng)核心技術(shù)，意味著中國在高端裝備制造業(yè)擁有了不可替代的戰(zhàn)略優(yōu)勢。無論國際形勢如何演變，美方即便擁有雄厚資金也無法購得，更無法在短期內(nèi)追趕上技術(shù)代差。

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唯有核心技術(shù)自主掌握，才是真正可靠的國家底氣所在。

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這也解釋了為何中國對該技術(shù)實(shí)施最嚴(yán)格的保護(hù)措施，從頂層設(shè)計(jì)層面確保全產(chǎn)業(yè)鏈安全可控。

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隨著技術(shù)持續(xù)迭代演進(jìn)，中國在航空航天制造領(lǐng)域的領(lǐng)先幅度將進(jìn)一步擴(kuò)大，這不僅是科技創(chuàng)新的重大勝利，更是國家戰(zhàn)略布局成功的有力證明，向世界展示了自立自強(qiáng)的科技力量。

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結(jié)語

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鑄鍛銑一體化金屬3D打印，是中國邁向科技自立征程中最鮮活的實(shí)踐案例之一。

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該技術(shù)卓越非凡，成功破解大型鈦合金構(gòu)件制造的技術(shù)瓶頸，使傳統(tǒng)工藝相形見絀。更為重要的是，它助力中國在航空航天、國防軍工與核能裝備領(lǐng)域牢牢把握發(fā)展主導(dǎo)權(quán)。

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美國三次高價(jià)求購未果，恰恰印證其不可估量的戰(zhàn)略價(jià)值。

53

隨著設(shè)備批量投產(chǎn)與技術(shù)不斷進(jìn)化，中國在此領(lǐng)域的領(lǐng)先地位將愈發(fā)穩(wěn)固。自主創(chuàng)新帶來的不只是技術(shù)成果，更是國家綜合實(shí)力與戰(zhàn)略自信的體現(xiàn)。

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展望未來，中國高端裝備制造業(yè)將在這一技術(shù)的強(qiáng)力支撐下不斷攀登新高峰，向全球展示真正意義上的科技自主能力。

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比爾·蓋茨曾預(yù)言：美國對中國實(shí)施的技術(shù)封鎖，終將產(chǎn)生適得其反的效果。

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今天，這一預(yù)言已然成為現(xiàn)實(shí)！某種意義上說，正是外部壓力加速了中國科技突破的步伐，催生了更多像鑄鍛銑一體化這樣的頂尖成果！