一种带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法与流程

本发明属于金属增材制造，尤其涉及一种带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法。

背景技术：

1、高强钢凭借高比强度、优良塑性韧性及承载能力，在轨道交通、新能源装备、工程机械、船舶制造等高端装备领域成为核心结构材料，而具备内部多维异构结构的高强钢板材，可在保证承载性能的前提下实现构件轻量化，兼具隔热、吸能、减震等功能，应用需求持续攀升。丝材电弧增材制造以金属焊丝为原料，通过电弧融化焊丝逐层堆积成型，具备设备成本低、成型效率高、材料利用率高、适合大尺寸构件制造等优势，是高强钢异构板材制造的最优工艺选择。

2、现有高强钢多维异构板材丝材电弧增材制造工艺，均采用直接逐层扫描成型的方式，针对内部多孔、蜂窝等小特征异构结构区域，存在诸多难以解决的技术缺陷：

3、其一，高强钢熔池流动性强、凝固温度区间窄，无支撑成型时熔池极易塌陷、流淌，导致内部孔型畸变、内壁粘连、结构残缺，需大幅降低送丝速度与热输入以控制熔池，成型效率仅为实体板材的20%-30%，生产周期大幅延长；

4、其二，工艺参数频繁切换、热输入波动大，造成高强钢构件层间结合不致密、组织粗大不均，热应力集中问题突出，极易产生冷裂纹、热裂纹及翘曲变形，成品率不足60%，无法满足工程应用的力学性能要求；

5、其三，内部异构结构成型精度差、内壁粗糙度高，孔位偏移、尺寸超差现象普遍，封闭内腔结构无法通过后续机加工修正，严重限制复杂异构结构的设计与成型；

6、其四，现有支撑材料无法适配高强钢电弧增材制造工艺，常规水溶性支撑耐温不足，无法承受1400℃以上的高强钢熔池高温，耐高温陶瓷支撑则无法溶解去除，会残留于构件内腔，破坏高强钢构件结构完整性与力学性能。

7、目前，行业内尚无专门针对高强钢丝材电弧增材制造的异构结构可溶支撑成型工艺，现有技术无法兼顾成型效率、精度、质量与支撑可去除性，制约了高强钢多维异构板材的规模化工程应用。基于此，本发明提出一种带可溶芯模的高强钢多维异构板材丝材电弧增材制造方法，从芯模材料研发与工艺优化两方面解决现有技术痛点，填补行业技术空白。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有高强钢丝材电弧增材制造多维异构板材存在的成型效率低、精度差、易开裂、无适配耐高温可溶支撑的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

3、一种带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，包括以下步骤：

4、步骤1、制备可溶耐高温芯模：

5、按质量百分比配制芯模原料，氧化铝45%-55%、氧化钇稳定氧化锆15%-20%、复合水溶性盐25%-35%、无定形氧化硅5%-8%、蒙脱土3%-5%、硬脂酸锌1%-2%、海藻酸钠1%-3%，混合造粒后模压或3d打印成型，650-800℃烧结固化2h，得到专用芯模；

6、步骤2、基板预处理与芯模预置：

7、对高强钢基板打磨清洗、200-300℃预热，将芯模精准定位固定于基板预设位置；

8、步骤3、丝材电弧增材成型；

9、步骤4、芯模溶除与后处理；

10、步骤5、成品检测，得到高强钢多维异构板材。

11、进一步，所述可溶耐高温芯模耐火温度为1500±50℃，常温抗压强度≥28mpa，85-95℃热水可完全溶解。

12、进一步，步骤3电弧增材参数为：采用cmt+脉冲复合电弧增材制造工艺，以高强钢实体板材参数连续逐层堆积，焊接电流160-220a，电压20-26v，送丝速度6.0-8.0m/min，层间温度≤150℃。

13、进一步，步骤4具体为：待构件室温冷却后，放入90±5℃热水溶除芯模，清洗、烘干，550-620℃去应力退火2-3h。

14、进一步，步骤2中芯模采用机械卡紧+耐高温无机胶点固双重定位，顶面与目标板材上表面齐平。

15、进一步，步骤1中可溶耐高温芯模至少包括以一个注水口和一个出水口。

16、进一步，步骤3增材成型过程中，每层堆积厚度控制为2-2.5mm，保证层间结合致密性。

17、本发明还提供了一种高强钢多维异构板材，采用上述方法制备，板材外表面致密连续，内部含蜂窝/阵列孔异构结构。

18、本发明具有以下优点：

19、1.成型效率显著提升：全程采用高强钢实体板材工艺参数连续成型，无需降速、调参，送丝速度较无支撑成型提升40%-70%，整体生产工时减少50%-70%，适配大尺寸高强钢异构板材规模化生产。

20、2.成型精度大幅提高：可溶芯模精准支撑熔池，彻底杜绝熔池塌陷、孔型畸变、内壁粘连问题，孔位精度达±0.05mm，内腔内壁粗糙度ra≤3.2μm，尺寸超差率≤1%，无需后续内腔机加工。

21、3.构件质量稳定可靠：芯模起到隔热均温作用，有效降低高强钢构件热应力集中，消除冷裂纹、热裂纹、翘曲变形缺陷，成品率≥95%；构件组织均匀，层间结合致密，力学性能优异，屈服强度≥700mpa，抗拉强度≥850mpa，-40℃低温冲击功≥45j，满足高端装备工程应用要求。

22、4.芯模去除彻底环保：高温热水可完全溶解芯模，无固态残留，不腐蚀高强钢基体，无有害物质析出，适配封闭内腔、复杂多维异构结构成型，突破传统直接增材的结构限制。

23、5.工艺适配性强：专门针对高强钢丝材电弧增材工艺优化，适配各类低合金高强钢、超高强钢焊丝，可成型蜂窝、阵列孔、异形孔等多种异构结构，应用场景广泛，易于工业化推广。

1.一种带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，其特征在于，所述可溶耐高温芯模耐火温度为1500±50℃，常温抗压强度≥28mpa，85-95℃热水可完全溶解。

3.根据权利要求1所述的带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤3电弧增材参数为：采用cmt+脉冲复合电弧增材制造工艺，以高强钢实体板材参数连续逐层堆积，焊接电流160-220a，电压20-26v，送丝速度6.0-8.0m/min，层间温度≤150℃。

4.根据权利要求1所述的带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤4具体为：待构件室温冷却后，放入90±5℃热水溶除芯模，清洗、烘干，550-620℃去应力退火2-3h。

5.根据权利要求1所述的带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤2中芯模采用机械卡紧+耐高温无机胶点固双重定位，顶面与目标板材上表面齐平。

6.根据权利要求1所述的带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤1中可溶耐高温芯模至少包括一个注水口和一个出水口。

7.根据权利要求1所述的带可溶芯模的高强钢多维异构板材电弧增材制造方法，其特征在于，步骤3增材成型过程中，每层堆积厚度控制为2-2.5mm，保证层间结合致密性。

8.一种高强钢多维异构板材，其特征在于，采用权利要求1-7任一所述方法制备，板材外表面致密连续，内部含蜂窝/阵列孔异构结构。