多维异质异构电弧增材制造技术

2021年11月23日，南极理工大学重点实验室主任王克鸿教授，受邀于国赛空中讲堂进行了“多维异质异构金属构件受控电弧增材制造技术”的主题讲座。讲座过程中，王克鸿教授针对多维异质异构构件的意义以及电弧增材制造在制造多维异质异构结构方面优势进行了阐述。
王克鸿教授指出，随着科学技术的发展，金属构件的服役环境越发的严苛，对构件的综合要求也越来越高。现阶段，大部分关键构件不仅要求具有高强度、高韧性、高刚度，同时要求其具备优良的耐高温与耐磨性能等，这就不仅对成形材料的成分、微观结构以及宏观结构提出了严苛的要求。
为实现高性能复杂构件的成形，南京理工大学的王克鸿教授团队，基于仿生贝壳结构，提出利用受控电弧成形不同金属材料，成形变成分、变结构的多维异质异构构件，以获得具备高强韧、高耐磨以及强抗冲击等综合性能的金属构件。

贝壳的主要成分是由硬的矿物质和软的蛋白质构成，但是贝壳却能够承受远大于自身重量的压力与海底复杂水文的巨大摩擦力，贝壳依旧能够正常生存，这是贝壳在其不同部位、不同区域都存在不同的微观结构，呈现出微观的分层错位叠片结构，介观的分层交叠结构以及宏观的分区域镶嵌结构，综合形成从微观到宏观的多维异构，有效提高了贝壳的综合性能。

基于此，王克鸿教授提出了仿生贝壳的多维异质异构增材的概念，即首先通过一体化多维设计，确定不同区域的不同结构；随后，针对不同结构的微观结构（厘米级），进行不同设计形成层内交叠；接着，通过控制成形材料以及工艺，在不同层内交叠结构中形成亚毫米级的分层；最后，通过控制原子结构以及位错分布，形成微米级以及亚微米级的结构交错，以实现微观、介观、宏观不同尺度上的异质异构，从而实现高性能金属构件的成形。
电弧增材制造利用电弧作为热源，将金属丝材或粉材熔化，按照既定路径将熔化的金属以液滴的方式持续过渡，形成金属构件。电弧增材相对于激光、电子束等，其成形效率高、对材料的要求低，在成形大尺寸多维异质异构构件方面具有明显的优势。
基于此，王克鸿教授基于多维异质异构结构概念以及电弧增材制造技术优势，将两者相结合，提出了大型复杂多维异质异构金属构件电弧增材制造新思路，率先利用此技术实现高强钢与不锈钢分层交叠结构的成形，并通过对比发现，使用该方法制得的构件的强度提高了1%，冲击韧性提高了2%左右。

编译 代轶励