[发明专利]一种层状异构钢及其电弧增材制造系统和方法

说明书

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种层状异构钢及其电弧增材制造系统和方法。为解决对复杂结构件实现异构设计及成分、组织调控的问题，本发明在全层渗透热控制下，实现层状异构材料构件的电弧增材制造，因其沉积效率高、致密度高、工艺简单、成本低廉、分层成型等优点，可作为构建层状异质钢的首选制备工艺。利用电弧增材制造的成型特点可实现复杂构件的分层设计；利用电弧增材制造特有的全层渗透热控制控制可调控不同层的微观组织‑结构，提升构件的强‑韧综合力学性能。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种层状异构钢及其电弧增材制造系统和方法。

背景技术

基于材料“素化”思想的材料综合性能调控，对自然界中的多层级结构进行仿生设计，实现层状异构钢的构建不失为一种优异的选择。以界面主导力学性能的层状异构材料中的邻近层在成分、厚度、晶粒尺寸、晶体结构、晶体取向等方面均可实现精细调控，对于微组织-结构优化具有巨大的空间。与传统钢相比，层状异构钢可将不同组元材料的优势协同发挥，实现优异的强-塑性匹配，同时软/硬层片界面能够阻止裂纹的扩展过程，很大程度上增强材料的抗冲击性能和抗疲劳性能。

对于层状异构的制备工艺主要有以下三种：累积叠轧+退火处理工艺、高压扭转变形+轧制+退火处理工艺、扩散焊+轧制+退火处理工艺。这些制备工艺都进行了多步冷热加工，不同加工工艺间匹配十分重要，操作较为复杂，加工成本较高；而且无法对复杂结构件实现异构设计及成分、组织调控。

增材制造(AM)技术，又被称为3D打印，基于离散-堆积原理，融合了计算机辅助设计、自动化控制、材料科学等多学科，基于“自下而上”的思想，由零件三维数据驱动材料逐层累加的制造方法，颠覆了传统制造的模式，让传统制造工艺无法或难以制造的复杂结构构件的精密制造成为现实。电弧增材制造因其沉积效率高、致密度高、工艺简单、成本低廉、分层成型等优点，可作为构建层状异质钢的首选制备工艺。

电弧增材制造因此循环的热输入及大量的热累积，这些本质因素对于沉积件的微观组织-结构的演变有着决定性的作用。利用电弧增材制造的成型特点可实现复杂构件的分层设计；利用电弧增材制造特有的全层渗透热控制控制可调控不同层的微观组织-结构。这方面的工艺探索及结构设计具有较大的挑战，目前通过电弧增材制造制备层状异构钢的报道研究均处于初期探索阶段。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：将不同金属材料按成分-结构设计原则进行分层沉积，基于增材制造过程中全层渗透热控制原位调控部件的组织-结构-性能，快速灵活构建强韧性匹配的多维多尺度三维层状复合钢构件。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种层状异构钢的电弧增材制造系统，包括数字化控制系统、焊接机器人、弧焊电源、变位机、焊枪和基板，所述数字化控制系统的第一输出端与弧焊电源的第一输入端连接，所述弧焊电源的阳极与焊接机器人的第一输入端连接，后经焊枪、层状异构材料构件、基板、变位机返回弧焊电源的阴极，所述焊枪设置在焊接机器人的机械臂末端，所述基板放置在变位机的工作台上，所述层状异构材料构件放置在基板上；

所述数字化控制系统的第二输出端与焊接机器人的第二输入端连接，所述数字化控制系统的第三输出端与变位机的输入端连接。

进一步，所述系统还包括夹具，所述夹具设置在变位机的工作台上，用于固定基板位置。

进一步，所述系统还包括热电偶测温系统、计算机，所述热电偶测温系统用于测量基板和层状异构材料构件的温度，所述热电偶测温系统与计算机控制系统的输入端连接，将热信号传输至计算机控制系统，所述计算机的输出端与数字化控制系统的输入端连接。

一种层状异构钢电弧增材制造的方法，包括以下步骤：

步骤1，构件三维建模：通过三维绘图软件对构件模型进行建模，在计算机内将三维模型转换为STL格式数据模型；