說起卡脖子技術,很多人第一時間想到的都是光刻機、航空發動機和芯片,好像科技的頂端的博弈就只有這些。
事實上,這些確實重要,但并非全部,中國手里還有一項低調卻關鍵的王牌技術,讓美國都坐立不安——那就是華中科技大學張海鷗教授團隊的鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術。
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它能徹底改變飛機和火箭等裝備的制造方式,把曾被國外壟斷的關鍵零部件牢牢掌握在中國手里。
美國曾三次高價求購都被拒,技術還被列入禁止出口清單,那么,這項技術到底有多厲害?
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在當下的輿論場里,提到國家之間的科技角力,絕大多數人的視線都被牽引到了幾個微米甚至納米級別的領域。
人們焦慮于光刻機的光源,擔憂高端芯片的制程,仿佛大國博弈的輸贏,完全取決于誰能在一塊指甲蓋大小的硅片上刻出更細的紋路。
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實際上,真正能決定一個國家飛得多高、潛得多深、打得它國不敢造次的,除了大腦里的芯片,更要有肢體上的“硬骨頭”。
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把目光從顯微鏡下的微觀世界移開,投向轟鳴的重工業車間,你會發現,在飛機起落架、重型運載火箭連接環、核電站核心部件這些大家伙的制造上,中國曾經面臨的“卡脖子”痛楚,一點也不比芯片少。
而在武漢喻家山下,有一項低調到幾乎鮮為人知的技術,默默磨劍二十載,最終逼得西方從試圖高價收購到只能眼紅仰望,它就是張海鷗教授團隊研發的“鑄鍛銑一體化金屬3D打印技術”。
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要理解這項技術的含金量,先得看看傳統的高端金屬加工有多“笨”,在過去很長一段時間里,無論是中國的殲-20要想做核心承力結構,還是C919大飛機要造主起落架,都逃不開一條既昂貴又漫長的老路。
傳統的工業邏輯是做“減法”和“整形”,想要一個特定形狀的高強度零件,你得先搞來一大塊幾十噸重的高品質金屬鑄坯,扔進高溫爐里燒得通紅,再搬到萬噸級水壓機下一頓猛砸,靠著巨大的壓力把金屬內部的縫隙壓實,這就叫鍛造。
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這還沒完,鍛造好的毛坯還得搬上五軸聯動機床,一點點把多余的部分削掉,這個過程,簡直就是“燒錢換性能”的代名詞,原本巨大的鈦合金毛坯,最后能真正留在飛機上的部分,往往連原材料的十分之一都不到,剩下的90%全是廢料。
更要命的是周期,造這么一個大家伙,動輒好幾個月,甚至按年計算,而且,這里面有一個極高的門檻——超大型模具和萬噸級鍛壓機,誰掌握了這些核心設備,誰就掌握了大型裝備制造的“入場券”。
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在這個領域,歐美俄曾長期占據壟斷地位,你想多造?排隊,你想定制?加錢,甚至核心的模具技術,人家壓根就不賣給你。
難道就沒有別的路可走?這正是上世紀90年代中期,華中科技大學張海鷗教授腦子里揮之不去的問題。
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當時,3D打印(增材制造)的概念剛開始冒頭,這是一種全新的“加法”制造邏輯——想要什么形狀,就堆什么形狀,不再需要巨大的模具,也不需要削掉90%的材料。
聽起來很美好,但早期的金屬3D打印有個致命的軟肋:它是“虛胖”,以前的金屬3D打印,多半是用激光去燒金屬粉末,做出來的東西,形狀確實可以極其復雜,甚至能做出精巧的鏤空結構,但也就是看著好看。
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一旦拿到顯微鏡下一看,內部晶粒粗大,甚至布滿肉眼看不見的微小氣孔,這種材料,做個手辦模型或者非受力件還行,要是敢用在承受幾百噸沖擊力的飛機起落架或者火箭受力環上,那就是拿航天員的生命開玩笑。
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但這并沒有勸退張海鷗,相反,這種“死胡同”逼出了他一個極其大膽甚至略顯瘋狂的設想:既然打印出來的東西太松散,那是缺練,既然鍛造能讓金屬變結實,那是千錘百煉的結果。
那么,能不能把這兩件事湊到一起干?一邊把金屬熔化堆疊起來,一邊拿錘子猛砸?這個想法在2009年國家啟動高檔數控機床重大專項時,迎來了轉機,但實施起來簡直是地獄難度。
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要知道,在傳統工業里,鑄造、鍛造、銑削,這是完全不同的三個行當,分屬不同的車間,有著完全不同的溫度和環境要求。
要把這“三兄弟”強行塞進一臺機器的肚子里,還得讓它們配合得天衣無縫,這無異于要求一個人同時在彈鋼琴、打拳擊還能穿針引線。
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技術團隊面臨的最大挑戰在于時序的極度精準控制,在他們的設備里,并不是先把東西打印好再去砸,而是“趁熱打鐵”的極致版。
國產電弧槍剛剛把金屬絲融化,材料還處在半固態、也是可塑性最好的那零點幾秒里,旁邊的高頻微鍛裝置就必須立刻跟進,“哐哐哐”一通微米級的鍛打。
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這一錘下去,里面的氣孔直接被擠沒,裂紋被壓合,剛剛長出來的粗大晶粒瞬間被打碎成極其細密的微小晶粒,等這一層冷卻下來,下一層金屬液又堆了上來,就這樣,打印一層、鍛造一層、再銑削一層,反反復復,層層遞進。
為了把這條路走通,從1995年最初的設想到2009年的全力攻關,再到后來數不清的廢品堆成山,張海鷗夫婦和他的學生們幾乎把所有的時間都耗在了實驗室的機器旁。
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這里沒有高端寫字樓的咖啡香,只有刺眼的電弧光屬、金屬撞擊的噪音和從未散去的焦糊味,這種“微鑄鍛同步”的方法,徹底顛覆了西方的技術路線。
西方同行還在迷信昂貴的激光器和極其講究的金屬粉末時,中國團隊直接用了最便宜的工業焊絲做原料,熱源也是最普通的電弧,成本直接從天上降到了地板上,甚至是傳統激光打印成本的幾十分之一。
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直到2013年,第一批經過金相驗證完全合格的小樣件出爐,2016年,真正具備工業生產能力的整機問世,當這臺機器吐出一個又一個不僅形狀復雜、而且內部組織致密得像經過萬次鍛打一樣的鈦合金構件時,世界高端制造圈才真正被震動了。
2018年,九位院士齊聚一堂,對著這項技術給出了八個字的評價:“國際首創、國際領先”,這并不是客套,因為直到那時,國外的頂尖實驗室還在走“先打印個大概、再搬去鍛造爐處理”的兩步甚至三步走的彎路,而中國已經實現了一體化。
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這項技術一旦走出實驗室,所釋放的能量是驚人的,對于C919的主起落架關鍵承力部件,以前那種“萬噸鍛壓+大量切削”的笨辦法被終結了。
對于長征系列運載火箭直徑巨大的轉接環,不需要再去等待長周期的模具定制,直接就能“生長”出來,甚至,以前設計師敢想卻不敢畫的復雜結構——那些為了減輕重量而設計的內部網格,為了散熱而設計的蜿蜒冷卻通道,現在統統都能實現。
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因為這臺機器在打印的時候,銑刀可以隨時介入把復雜的內腔修整好,然后再封頂打印下一層,這是傳統鍛造怎么都做不到的“如虎添翼”。
這種降維打擊般的能力,意味著我們在航空航天和高端裝備的迭代速度上,獲得了一個極其恐怖的“倍增器”,別人還在為了驗證一個新結構排隊等鍛造毛坯的時候,我們可能已經改了三版設計了。
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從殲-20的鈦合金大型隔框,到衛星的高精度支架,再到尺寸能達到12米×4米×3米的超大型金屬構件,只要是你能設計出來的“硬骨頭”,它就能給你造出來,而且造得更快、更省、更強。
材料也不再局限于鈦合金,高溫合金、高強鋼、鋁合金甚至極其難搞的鎂合金,都能在這臺機器里乖乖聽話。
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這種改變游戲規則的技術,自然引起了大洋彼岸的高度警覺,那些老牌的西方工業巨頭太清楚這玩意兒意味著什么了——這不僅僅是一個新機器,這是對他們幾十年建立起來的基于“大鍛模”和“精密加工”技術壁壘的一次連根拔起。
于是,一波又一波的“求購者”來了,報價單上的數字從最初的幾個億,一路飆升到超過三十億,但不管是多少錢,張海鷗教授的回應始終只有一個態度:不賣,這不僅僅是個人的骨氣,更是對國家戰略安全的清醒認知。
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這根本就不是一項可以用金錢衡量的商品,試想一下,如果這項技術流出,讓對手也掌握了這種低成本、高效率制造頂級金屬構件的能力,那我們在新一代戰機、火箭甚至核潛艇上辛苦建立起來的這點制造優勢,瞬間就會被拉平。
這才是真正的核心競爭力,是你有錢也買不到的時間壁壘。
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國家層面的反應同樣迅速而堅決,2020年,商務部和科技部聯合調整發布的《中國禁止出口限制出口技術目錄》中,鑄鍛銑一體化金屬3D打印關鍵技術赫然在列,編號183506X。
到了2023年,相關的控制要點更是進一步收緊,這相當于給這項技術貼上了最高級別的封條,也向世界宣告:中國不僅僅是在追趕西方的工業標準,我們正在開辟一條全新的、屬于自己的工業賽道。
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回過頭來看,我們總是習慣于盯著那些我們暫時落后的領域痛心疾首,卻往往忽略了在這些看起來“傻大黑粗”的基礎制造領域,中國科學家究竟付出了怎樣的心血。
如果說光刻機決定的是未來的數字化生存空間,那么像“鑄鍛銑一體化”這樣的技術,決定的則是物理世界的生存極限。
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它不顯山不露水,但當我們在天空中飛出從未有過的軌跡,在深海里潛入從未到達的深度時,背后撐腰的,正是這一錘一錘敲打出來的中國制造的“脊梁”。
在這個喧囂的時代,張海鷗團隊二十年的冷板凳,換來的是國家工業的一張王牌。
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它告訴我們,真正的“大國重器”,不是靠甚至買來的,而是靠無數個日夜在車間里的死磕,硬生生從不可能的縫隙里“砸”出來的。
這種“卡不死的脖子”,才是我們面對風云變幻最硬的底氣。
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