先进制造技术

1.1高性能金属双电弧熔丝协同增材制造技术1.1.1项目介绍高熵合金作为一种全新的合金设计理念，具有许多传统合金所没有的结构特性。高熵合金具有热力学上的高熵效应、结构上的晶格畸变效应、动力学上的迟滞扩散效应、性能上的“鸡尾酒效应”、组织上的高稳定性等，这些效应使得高熵合金在高温、低温、辐照、腐蚀等复杂苛刻条件下具有优良的综合性能。目前，发现的纳米析出强化高熵合金显示出了作为新一代髙温合金的巨大潜力，能够实现相互制约的各种性能的综合匹配，综合性能优异，引起了国内外学者的极大关注。但是由于高熵合金的元素组成复杂，往往存在熔点、沸点及密度的重大差异，给高熵合金的制备带来了巨大的挑战。对于块体高熵合金的制备，目前最常使用的方法是真空电弧熔炼、真空电磁感应熔炼、激光增材制造等方法。然而，对于采用熔化法制备高熵合金存在两方面难题，一方面，如何实现含有低熔点和高熔点元素的高熵合金的制备难题，由于只有一个热源，若温度过高，出现低熔点金属挥发，若温度过低，高熔点金属难以熔化，因此，热源温度的单一性限制了高熵合金元素的选择范围；另一方面，如何高效实现大块高熵合金的成分均匀化问题。本项目采用双丝协同增材制造高性能复杂合金，通过将复杂合金增材制造的传热、传质和传力进行解耦协同控制，解决了复杂合金的制备难题，实现了高性能复杂合金的“创材制造”。1.1.2 技术水平及原理（1）双丝焊接工艺稳定，飞溅小，制备效率高，成本低，合金内部质量好。采用的双丝的任何参数都可以独立调节，焊丝间可以协同控制，两个电弧交替燃弧，互不干扰，熔滴交替过渡，形成同一个熔池，焊接过程非常稳定，使得气孔、裂纹、夹渣等缺陷更容易控制；；（2）采用移动的保护罩装置，通入惰性气体，使增材制造全程在惰性气体保护下进行，以免发生氧化或氮化；采用的焊丝是金属粉型药芯焊丝，不含矿物粉末，依靠惰性气体保护，使得焊接过程不产生熔渣，无需清渣，确保增材制造的连续性和高效性；（3）合金成分调节方便，适用的合金元素范围广，制备的高熵合金种类多。将复杂的高熵合金成分分解，使得每根焊丝的成分物化性质接近。由于焊丝端部的温度受到焊丝电极的熔点和沸点限制，使得不同种类的焊丝端部的温度不同，高熔点焊丝端部温度高，低熔点焊丝端部温度低，这样确保每个焊丝端部的温度合适，使得高熔点焊丝能够充分熔化，低熔点焊丝能够避免烧损，确保合金元素顺利过渡到熔池中，从而能够制备含有熔点、沸点及密度等物化性质差异大的合金元素的复杂高熵合金；（4）热输入调节范围大，化学成分和组织更加均匀，合金成分调节方便。周期性的脉冲电流对熔池产生振荡作用以及轮流燃烧的电弧依次对熔池产生搅拌作用，极大的加强了熔池的流动，从而使得熔池形成规律的循环流动，克服了合金元素密度差异大等所带来的成分偏析，确保不同物化性质的合金元素充分混合，使得凝固后的合金成分和组织更加均匀。1.1.3 技术的新颖性、先进性和独特性相对于现有技术，本发明提供的高性能合金制备方法，焊接工艺稳定，飞溅小，制备效率高，成本低，合金内部质 量好。合金成分调节方便，可选的合金元素范围广，包括5~16种主要合金元素，0-8种次合金元素，0-8种微量合金元素，制备的高性能合金种类多；热输入调节范围大，化学成分和组织更加均匀，组织致密均匀，合金成分调节方便；由于对电弧温度的分解，能够制备含有熔点、沸点及密度等物化性质差异大的合金元素的高性能合金。1.2异种金属双丝复合焊连接技术1.2.1项目介绍随着工业的迅速发展和科学技术的飞跃进步，金属材料得到越来越多的应用，相应的对焊接构件的性能要求越来越高，除了满足常规的力学性能之外，还要满足高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、低温韧性、导热性等多方面的性能要求。为了满足这一需求，兼有多种金属优点的异种金属的组合连接结构被大量采用，不同金属材料的连接组合不仅能够满足不同工作条件对材质提出的不同要求，充分发挥不同材料的性能优势，而且还能降低贵重金属的消耗，降低结构整体制造成本，从而进一步提高经济效益。因此，异种金属制成的结构在机械、化工、电力、核工业及航空航天等行业得到广泛应用。由于异种金属在物理性能、化学性能等方面有显著差异，与同种金属材料的焊接相比，异种金属材料的焊接无论从焊接机理和操作技术上都比同种材料要复杂得多，异种金属连接存在问题的主要原因如下：（1）异种金属的熔点和沸点的差异异种金属的熔点和沸点相差越大，越难进行焊接，熔点、沸点低的金属达到熔化状态时，熔点高的金属仍呈固态，当熔点、沸点高的金属熔化时，就会造成熔点低的金属元素烧损或蒸发，造成金属流失，使得难以熔合形成焊接接头。（2）异种金属的线膨胀系数差异异种金属的线膨胀系数相差越大，越难进行焊接。线膨胀系数大的金属加热时膨胀大，冷却时收缩也大，在熔池结晶时会产生很大焊接应力，引起较大的焊接变形。（3）异种金属的热导率和比热容差异异种金属的热导率和比热容相差越大，会引起热输入不平衡，越难进行焊接。金属的热导率和比热容差异会使焊缝的结晶条件变化，晶粒严重粗化，并影响难熔金属的润湿性能，降低焊接接头的质量。（4）异种金属的化学相容性异种金属之间能否进行焊接，取决于这两种金属的化学相容性。无限固溶的异种金属之间具有很好的相容性，有限固溶的异种金属相容性变差，完全形成金属间化合物的异种金属相容性最差，随着形成金属间化合物的数量增加，焊接性越来越差。本项目将采用发明的双丝复合焊新技术对异种金属进行连接，设计优化焊丝，通过将焊接过程的传热、传质和传力进行解耦协同控制，解决了复杂分区焊缝的制备难题，高效高质量的实现难焊异种金属连接。1.2.2技术水平及原理采用双丝焊接设备进行异种金属连接，具体来说，设计两种焊丝，设计坡口形式和尺寸，将两根焊丝进行空间排列，设定双丝焊焊接模式和焊接工艺参数，实施双丝焊接，双丝和母材熔化混合后形成一个分区复合熔池，熔池凝固后形成分区复合焊缝。异种金属双丝焊接基本原理如下：第一，设计两种焊丝，将焊丝成分分解，从而满足分区复合焊缝的成分、含量、结构和性能要求。要求设计的两种焊丝与各自对应的母材的冶金相容性好及物理性能差异小，同时，两种焊丝间的冶金相容性好及物理性能差异小，焊接后形成分区复合焊缝，该分区复合焊缝包括临近两侧母材的两个隔离区和位于两个隔离区之间的中心混合区，形成的两个隔离区分别与各自相邻的母材区具有较好的化学相容性，两个隔离区分别与各自相邻的母材区的物理性能差异小于两个母材区之间的物理性能差异，同时，两个隔离区金属之间具有较好的化学相容性，从而，采用设计的两种焊丝，形成的分区复合焊缝各区的结构以综合性能优良的固溶体结构为主，避免脆性的金属间化合物的生成；对于化学相容性差的异种金属连接时，首先，设计的两种焊丝与各自对应的一侧母材的的化学相容性好，同时，两种焊丝的化学相容性好；其次，根据需要连接的异种金属及要采用的两种焊丝的化学性能特点，设计合适的坡口形式和尺寸，合理设置两根焊丝的空间位置，使得焊接时的熔池形成分区复合熔池，凝固后形成分区复合焊缝，形成的两个隔离区将化学相容性差的两种母材金属元素隔离，避免焊缝隔离区和混合区形成金属间化合物；最后，采用合适的焊接模式及焊接工艺参数，控制两侧母材的熔化量和焊缝的形状，调节焊缝各个区的成分、含量和组织结构，从而提高焊缝的综合性能。对于熔点、沸点差异大的异种金属连接时，首先，设计的两种焊丝的熔点和沸点差异以及两种焊丝与各自对应的两种母材的熔点和沸点差异要小于两种被焊母材的熔点和沸点差异，由于两个电弧的阴极和阳极的温度取决于焊丝和母材的熔点和沸点，因此，产生的两个电弧的温度分布及能量密度不同，分别自适应两根焊丝和两个母材的熔点和沸点；其次，根据需要连接的异种金属及要采用的两种焊丝的熔点、沸点差异，设计合适的坡口形式和尺寸，然后设置两根焊丝的空间位置，确保两个电弧热源有一定合适距离，避免电弧由于热量的传递导致的电弧温度及能量密度的变化，对焊丝和母材熔化产生不利影响；最后，采用合适的焊接模式和焊接工艺，进一步控制热输入，精确控制焊丝和母材熔化，双丝焊中两根焊丝由单独的焊接电源供电，焊接模式和焊接工艺参数能够独立调控，可对热输入大的脉冲模式和热输入小的CMT（冷金属过渡）模式进行最优组合，如对于低熔点母材，可以采用低热输入CMT焊接模式，并且采用低热输入焊接工艺参数，对于高熔点母材，可以采用高热输入脉冲焊接模式，并且采用高热输入焊接工艺参数。通过以上焊丝的设计、焊丝空间位置的排列及焊接模式的选择和焊接工艺的优化，实现对不同的母材施加不同的热输入，这样能够避免低熔点、低沸点母材过多烧损和蒸发，高熔点、高沸点的母材难以熔化或熔化不良，同时，由于选择的两种焊丝的熔点、沸点差异缩小，形成的熔池的熔点、沸点物理性能介于两个母材之间，能够使得形成的分区复合焊缝成形良好，此外，热输入的合理精确控制也能降低焊接应力和减小变形。第二，设计坡口形式和尺寸，对双丝进行并列排列，使得焊接过程稳定，使形成的两个熔体复合良好，以制备成形优良的单层或多层复合焊缝。采用双丝电弧焊接时，在焊丝端部和底部母材之间产生电弧，由于每根焊丝端部的温度受到焊丝电极的熔点和沸点限制，使得不同种类的焊丝端部的温度不同，高熔点、高沸点的焊丝端部温度高，低熔点、低沸点的焊丝端部温度低，同理，母材的温度也受到母材的熔点和沸点限制，高熔点、高沸点的母材温度高，低熔点、低沸点的母材温度低，这样，形成温度分布及能量密度不同的两个电弧，通过对双丝间距进行调整，使得产生的两个电弧处于合适的位置，避免电弧间的电磁干扰，两个相对独立的电弧分别用来熔化对应的焊丝和母材，形成稳定的分区复合熔池，使得焊缝成形良好，从而实现分区复合焊缝的制备。此外，设定合适的双丝空间位置，尤其焊丝角度的设定，使得焊丝分别指向各自对应的母材，这样确保两个电弧对坡口两侧熔化良好，避免侧壁熔化不良，形成未熔合缺陷，使得能够适用异种金属厚板窄间隙多层焊接。第三，采用合适的双丝焊焊接模式（CMT+CMT模式、CMT+脉冲模式或脉冲+脉冲模式）及焊接工艺参数，进一步精确控制焊缝各区及热影响区的热输入，从而实现分区复合焊缝各区及热影响区的成分、组织和性能综合调控，使得焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊接应力和变形小，形成综合性能优良的单层或多层分区复合焊缝和焊接接头。1.2.3 技术的新颖性、先进性和独特性相对于现有技术，本发明提供的用于异种金属连接的双丝熔化极气体保护焊焊接方法的有益效果是，能够解决由于熔点、沸点、线膨胀系数、热导率或比热容等物理性能差异大和在化学性能上相容性差所导致的异种金属连接问题，焊接工艺简单，焊接效率高，焊接成本低，由于采用两种焊丝配合使用，将焊丝成分分解，使得焊丝设计和开发容易，热输入调节范围大且精确可控，避免热影响区晶粒粗大，避免形成脆性金属间化合物，焊接应力和变形小，焊缝内部质量优良，无气孔、裂纹、夹渣等缺陷，焊缝成形好，焊接接头组织和性能调控容易，焊接接头综合性能好。

2.1 高性能金属双电弧协同增材制造技术（1）高性能复杂金属材料的制造领域 该类合金材料成分复杂，制造难度大，主要在高温、高压、高速旋转、交变负载及各种氧化腐蚀环境下运行，对合金的综合性能要求高，市场需求大。（2）金属构件的表面改性领域 对工作在高温、低温、辐照、腐蚀等严苛条件下的金属构件表面进行双丝堆焊，能够节约成本，增加构件的耐磨、耐腐蚀、耐高温、耐疲劳、耐低温、抗辐照等性能，提高构件使用寿命，市场应用前景较大。 总之，该双电弧协同增材制造技术能够制备耐磨耐腐蚀涂层、模具内衬、硬质合金、高温合金、低温合金、核电材料等复杂高熵合金，具有广泛的应用领域，随着新型合金的不断开发，市场领域逐渐增加。2.2 异种金属双丝复合焊连接技术由于异种金属在物理性能、化学性能等方面有显著差异，使异种金属的焊接难度非常大。目前，钎焊、熔钎焊、压力焊及熔化焊等各种方法存在一定的局限性；采用的一些工艺措施如加中间层、控制热输入、堆焊过渡层、添加合金元素等具有一定的改善效果，但是焊接工艺复杂，焊接成本高；适用于异种金属焊接用的焊材缺乏，难以找到匹配的焊接材料，往往需要开发新的焊接材料，这极大的增加了焊接难度和焊接成本。目前，在航空航天、船舶、核能、石油化工、机械装备、海洋工程、汽车工业、生物医药等军工和民用领域对异种金属的连接需求广泛。如石化设备容器是钛合金/不锈钢异种金属结构材料的传统应用领域，钛钢复合板塔器主要应用于军事、化工领域，在航空航天领域对钛合金/镍基合金连接有迫切需求。因此，钛合金-不锈钢、钛合金-镍基合金、铝合金-钢、铝合金-钛合金、铌合金-不锈钢、纯钛-纯钽等物化性能差异大的异种金属连接以及钛钢复合板的焊接存在巨大的市场需求。目前，既有大量未解决的异种金属连接的老问题，更有不断出现的异种金属连接的新问题，随着新材料的发展，对异种材料的连接的需求会更加广泛和迫切。然而，由于异种材料的物化性能的差异所导致的焊接难题严重阻碍了应用。本发明技术属于原始创新发明，具有原创特征，本发明把先进的焊接方法、焊接新材料和创新的焊接工艺有机组合，形成新的焊接技术，能够解决由于熔点、沸点、线膨胀系数、热导率或比热容等物理性能差异大和在化学性能上相容性差所导致的异种金属连接问题。本发明能够解决一大类异种金属的连接，该技术的应用，不仅能够满足不同工作条件对材质提出的不同要求，充分发挥不同材料的性能优势，而且还能降低贵重金属的消耗，降低结构整体制造成本，从而进一步提高经济效益，社会效益也非常显著，不同性能金属的连接结构，能够降低构件重量，节约能源，减少排放，对于节能减排具有重要的作用。异种金属的连接潜在市场广阔，未来的市场规模是逐渐增加的，前期处于市场发掘和应用阶段，随着市场成熟和应用扩大，产生的经济效益将非常显著。