【摘 要】
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高强钢被广泛用于制造航空、航天、核电等领域的核心零部件,其大型复杂高品质锻件是衡量国家工业科技水平和综合国力的重要标志。大型高强钢锻件复杂的几何形状结构,尤其以凸台、筋肋等为代表的局部特征结构,显著增加了锻造成形工艺的复杂性,进而导致生产周期和生产成本的大幅提高。电弧增材制造技术作为一种近净成形技术,具有成形效率高、成本低、灵活性强等优点。结合大型高强钢锻件的几何结构特点和电弧增材制造技术的优点,
【基金项目】
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与二重集团重装备有限公司合作的国家重点研发计划项目“航空、核电及石化等领域超大构件高效率低成本增材制造技术的应用示范”中的课题“锻造-电弧熔丝增材复合制造过程的控形控性技术（2018YFB1106501）”；
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高强钢被广泛用于制造航空、航天、核电等领域的核心零部件,其大型复杂高品质锻件是衡量国家工业科技水平和综合国力的重要标志。大型高强钢锻件复杂的几何形状结构,尤其以凸台、筋肋等为代表的局部特征结构,显著增加了锻造成形工艺的复杂性,进而导致生产周期和生产成本的大幅提高。电弧增材制造技术作为一种近净成形技术,具有成形效率高、成本低、灵活性强等优点。结合大型高强钢锻件的几何结构特点和电弧增材制造技术的优点,提出先通过锻造成形某运输机滑轨的主体部分,随后通过电弧熔丝增材技术在滑轨主体上成形工艺凸台。本研究开展了该复合成形工艺的基础性研究工作,研究了成形过程中热影响区及增材区的微观组织及性能演变,主要的研究内容和结论如下:通过热压缩试验,研究了不同变形参数条件下30Cr Mn Si Ni2A钢高温变形特性;通过光学显微镜和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）,分析了变形参数对30Cr Mn Si Ni2A钢位错亚结构和晶粒组织演化的影响规律;发现在不同变形参数条件下,动态再结晶形核机制主要以非连续动态再结晶为主;建立了Arrhenius本构模型和热加工图模型,Arrhenius本构模型具有较高的预测精度,能较好地预测材料的本构关系;根据热加工图的预测结果,材料在低应变速率下具有较高的能量耗散率,具有较好的成形性,在高应变速率下容易发生变形失稳;将Arrhenius本构模型导入DEFORM有限元仿真软件,并对无凸台滑轨的模锻成形过程进行了有限元仿真。采用定制高强钢药芯焊丝进行单道单层电弧增材实验,研究了电弧增材工艺参数对成形件形貌的影响规律;当送丝速度为5m/min,焊接速度为7mm/s时,焊缝成形形貌良好,具有最大宽高比,内部无明显缺陷,确定为最佳增材工艺参数;以此为基础,进一步开展单道多层电弧增材实验及其热处理实验,研究了不同增材区域和热处理工艺对单道多层成形件微观组织和综合力学性能的影响;沉积态材料的力学性能优异,但塑性较差;经过热处理后,微观组织由马氏体和下贝氏体转变为回火马氏体,提高了材料的塑性变形能力,改善了材料的各向异性。通过扫描电镜（Scanning Electron Microscope,SEM）、X射线衍射（X-ray Powder Diffractometer,XRD）和电子探针显微分析（Electron Probe Microanalysis,EPMA）,研究了热影响区（Heat Affected Zone,HAZ）碳元素和碳化物M7C3的偏析行为,发现当加热温度在600℃～700℃时,马氏体内的碳元素逐渐向晶界处发生偏聚;在冷却过程中,碳元素以碳化物的形式在晶界析出;通过高温缓慢拉伸试验,研究了部分增材过程中材料再热裂纹敏感性的变化,发现不同峰值温度条件下,均以沿晶断裂为主,再结晶可以降低材料的再热裂纹敏感性。
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