金屬3D打印“微鑄鍛”“打”出新型高效耐磨高爐風口

華中科技大學金屬3D打印“微鑄鍛”技術又迎來新的應用進展。近日，該技術由中國寶武武鋼集團有限公司（簡稱“武鋼”）成功應用於高爐風口製造，經檢驗,該新型高爐風口耐磨性大幅提高，抗熱震性能遠優於傳統等離子噴塗工藝，風口使用壽命較傳統方法提高5倍以上，產生了重大經濟效益。

金屬3D打印“微鑄鍛”技術由華中大機械學院張海鷗教授歷經十餘年研發成功。業界普遍認為，新型高爐風口在武鋼應用成功，充分證明了金屬3D打印“微鑄鍛”這一原創短流程綠色製造技術的巨大市場潛力和廣泛應用前景。

武鋼有限鍊鐵廠高爐風口

高爐風口被廣泛應用於冶金、能源和化工等行業，具有傳導性好、冷卻均勻、冷卻效率高、組織緻密、耐磨性好等特點。高爐風口通常安裝於爐腹與爐底之間的爐牆中，直接受到液態渣鐵的熱沖蝕和掉落熱料的嚴重磨損，工作温度最高可達2000℃以上，不僅需要優異的抗熱震性，還需要耐礦石衝擊磨損。傳統工藝製造的高爐風口平均僅能使用6個月，更換率高，對生產效率有着至關重要的影響。

時任武鋼技術部長趙思介紹，金屬3D打印“微鑄鍛”技術從2014年10月便開始應用在高爐風口的生產製造中，新型高爐風口使用了金屬3D打印“微鑄鍛”技術在風口內壁熔覆一層新型梯度功能複合材料強化層，大幅提高內壁表面硬度與抗熱震性，有效延長了風口的使用壽命。

武鋼副總經理、原鍊鐵廠廠長陸隆文介紹，因為新型梯度功能複合材料“高爐風口”的使用壽命長，大大減少了停爐更換風口的時間，有效提高了設備利用率和生產效率，經濟效益顯著。經初步估算，使用壽命較傳統產品提高5倍以上，節約的風口購置成本及更換導致的停爐效益共計約3027萬元。

“金屬3D打印‘微鑄鍛’可實現常規3D無法打印的高品質鍛件。大幅提高了製件強度和韌性，提高了構件的疲勞壽命和可靠性，可實現梯度材料、高温合金及超高強度鋼等難成形材料的高品質製造。”張海鷗説，“像高爐風口這樣的‘尖板眼’製造領域，金屬3D打印‘微鑄鍛’技術正好可以一顯身手。”

金屬3D打印“微鑄鍛”技術是高端材料製造升級“殺手鐧”

高強韌高可靠鍛件是高端裝備在惡劣工況下順利運行的根本保證，其高品質短流程綠色製造技術是各強國可持續發展的戰略制高點。一百多年來，世界製造業一直採用鑄-鍛-熱-削多工序分步、長流程、大型鍛機、重污染模式製造鍛件，大型複雜件受限於鍛機可鍛面積，無法整體鍛造，只能分塊鍛後拼焊，可靠性降低。新興的增材製造技術（3D打印技術）有鑄無鍛，疲勞性能不及鍛件。

風口強化前後形貌對比圖

張海鷗團隊經過十多年潛心攻關，研製出微鑄鍛同步複合設備，創造性地將金屬鑄造、鍛壓技術合二為一，實現了首超西方的微型邊鑄邊鍛的顛覆性原始創新。

張海鷗介紹，在航天航空領域，高端零件的工況同樣十分惡劣，需要極高的耐腐蝕性和耐熱性，這與高爐風口的工況有一定類似性。“高爐風口的成功驗證了“微鑄鍛”技術製造的零件完全可以滿足這些要求。包括航天航空在內這樣的“尖板眼”製造領域，金屬3D打印“微鑄鍛”技術同樣可以大派用場。”

“我們將原先需要8萬噸力才能完成的動作，降低到八萬分之一，也就是不到1噸的力即可完成，節能高達90%。經過驗證，鍛件疲勞壽命超過國際航空鍛件水平，且成形效率為國外頂級水平的3倍，可實現常規3D無法打印的高品質鍛件。”張海鷗稱，金屬3D打印“微鑄鍛”技術不僅舉重若輕地實現了短流程綠色製造，還大幅提高了製件的強度和韌性，提高了構件的疲勞壽命和可靠性，可實現梯度材料、高温合金及超高強度鋼等難成形材料的高品質製造，廣泛應用於航空航天、能源、艦船等領域的高強韌可靠性鍛件製造，接受各種極端環境的嚴苛考驗。

“這項獨一無二的原創技術，將‘髒、重、險’的傳統工業生產方式變為‘潔、輕、安’的美好生產方式，可望成為我國高端材料製造升級的‘殺手鐧’！”張海鷗信心滿滿。

目前，張海鷗團隊已完成了內燃機過渡段、螺旋槳、轍叉、飛機掛架、航空發動機匣、球閥、承力鋼構、航空電力件、航空發動機關鍵承力件等全系列微鑄鍛產品打印裝備開發。產品應用於大型飛機、航空發動機、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製造領域。

金屬3D打印“微鑄鍛”對我國大型高端裝備自主創新、引領傳統工業綠色轉型升級具有重大意義。今年以來，該技術獲得多項殊榮，“金屬微鑄鍛同步複合增材製造技術與裝備”獲得2019年度湖北省技術發明獎一等獎；“大型複雜高端零件微鑄鍛同步超短流程製造技術與裝備”提名2020年度國家技術發明獎一等獎。

微鑄鍛同步製造設備