一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法

本发明涉及电弧增材制造高强钢技术，更加具体地说，涉及一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法。

背景技术：

1、高强钢作为现代工业的核心材料，凭借其优异的轻量化-经济化协同特性，在航空航天、轨道交通、资源勘探与深海工程等领域具有不可替代的战略价值。这种兼具结构效能与能源效率的材料体系，不仅推动着工业技术革新，更是国家可持续发展战略和高端装备制造竞争力的重要支撑。材料科学领域长期面临着著名的强度与韧性倒置关系难题，这一经典矛盾在不同级别高强钢体系中呈现差异化表现。其中，800mpa级先进高强钢材料体系在提升材料强度的同时易引发韧性劣化，导致构件成形过程中面临加工硬化显著、脆性断裂倾向加剧等技术瓶颈，严重制约其工程应用范围。400mpa级传统高强钢材料体系虽具备良好的延展性和成形稳定性，但其屈服强度无法满足现代重型装备对承力构件的高载荷设计要求，这种强度天花板效应直接限制了其在主承力结构中的应用前景。

2、随着材料设计与先进制造技术的交叉融合，增材制造技术正在重塑高强钢材料体系的成型模式。这项革命性制造技术通过数字化建模-材料定向沉积-微观结构调控的三维协同机制，成功构建了材料-结构-性能一体化创新平台。其独特的逐层堆积成形原理不仅突破传统模具或加工设备形状的几何约束，实现复杂构件的近净成形，更通过沉积方向精确调控和多材料梯度复合技术，为破解高强钢“强韧不匹配”的困境提供全新解决方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，针对高强钢构件存在的强韧性匹配困难这一关键难题，本发明提出了一种创新的解决方案—具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，即通过增材制造技术，采用逐层堆积的方式，依次沉积“800mpa—400mpa—800mpa”级高强钢，实现“高强—高韧—高强”三明治结构状的构件制备。同时，在沉积过程中，对沉积层进行沉积方向调整，使每个沉积层在拉伸过程中受力方向最优，进一步实现构件良好的强韧性匹配，使强塑积得到显著增加。

2、本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

3、一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，在增材制备三明治结构时，相邻两层的沉积方向不同，以形成层间取向差。

4、在上述技术方案中，层间取向差为30—60度。

5、在上述技术方案中，选择高强-高韧-高强的三明治结构，其中两侧部分为强度较高的800mpa级高强钢，中间部分为韧性较好的400mpa级高强钢。

6、在上述技术方案中，保证层间取向差均为45°。

7、在上述技术方案中，第一层800mpa级高强钢的沉积方向为0°，第二层400mpa级高强钢的沉积方向为45°，第三层800mpa级高强钢的沉积方向为0°。

8、在上述技术方案中，第一层800mpa级高强钢的沉积方向为45°，第二层400mpa级高强钢的沉积方向为0°，第三层800mpa级高强钢的沉积方向为45°。

9、在上述技术方案中，800mpa级高强钢焊丝组分为0.08％c，1.00％mn，0.30％si，0.28％al，0.80％mg，0.35％cr，0.40％mo，3.00％ni，1.50％cu，余量fe(质量百分数)，类型为金属粉芯焊丝，填充率为15％，焊丝直径为1.20mm。

10、在上述技术方案中，400mpa级高强钢焊丝组分为0.07％c，1.98％mn，0.84％si，0.015％cr，0.009％ni，余量fe(质量百分数)，类型为实芯焊丝，焊丝直径为1.20mm。

11、在上述技术方案中，增材800mpa级高强钢时，电弧电流为180a，送丝速度为1cm/min，焊接速度为1.5mm/s；增材400mpa级高强钢时，电弧电流为190a，送丝速度为1.8cm/min，焊接速度为1.8mm/s。

12、在上述技术方案中，增材时，电弧电压由transtig 5000焊机自动匹配。

13、在上述技术方案中，增材时，采用的保护气体均为99.99％ ar，其保护气体流量均为20.00—25.00l/min。

14、与现有技术相比，本发明提出的增材制造方法具备精确的工艺控制能力与成本效益优势，通过减少后热处理及机加工工序实现层状异质构件的高效成形。该技术支持各沉积层的材料成分、工艺参数灵活配置，在复杂金属构件制造领域展现出显著适应性。本发明所提供的具有层间取向差的三明治结构状高强钢设计首先结合了800mpa级高强钢与400mpa级高强钢各自的优异特性，更通过沉积方向设计将各层特性在拉伸过程中放大到最优，进而实现了“强韧性”的协同作用，制备出强塑积超过14.5gpa·％的高强钢结构件，具有现实的必要性和良好的应用前景。

1.一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，在增材制备三明治结构时，相邻两层的沉积方向不同，以形成层间取向差；层间取向差为30—60度。

2.根据权利要求1所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，选择高强-高韧-高强的三明治结构，其中两侧部分为强度较高的800mpa级高强钢，中间部分为韧性较好的400mpa级高强钢；保证层间取向差均为45°。

3.根据权利要求2所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，第一层800mpa级高强钢的沉积方向为0°，第二层400mpa级高强钢的沉积方向为45°，第三层800mpa级高强钢的沉积方向为0°。

4.根据权利要求2所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，第一层800mpa级高强钢的沉积方向为45°，第二层400mpa级高强钢的沉积方向为0°，第三层800mpa级高强钢的沉积方向为45°。

5.根据权利要求2—4中任意一项所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，800mpa级高强钢焊丝组分为0.08％c，1.00％mn，0.30％si，0.28％al，0.80％mg，0.35％cr，0.40％mo，3.00％ni，1.50％cu，余量fe(质量百分数)，类型为金属粉芯焊丝，填充率为15％，焊丝直径为1.20mm。

6.根据权利要求2—4中任意一项所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，400mpa级高强钢焊丝组分为0.07％c，1.98％mn，0.84％si，0.015％cr，0.009％ni，余量fe(质量百分数)，类型为实芯焊丝，焊丝直径为1.20mm。

7.根据权利要求2—4中任意一项所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，增材800mpa级高强钢时，电弧电流为180a，送丝速度为1cm/min，焊接速度为1.5mm/s。

8.根据权利要求2—4中任意一项所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，增材400mpa级高强钢时，电弧电流为190a，送丝速度为1.8cm/min，焊接速度为1.8mm/s。

9.根据权利要求2—4中任意一项所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，增材时，电弧电压由焊机自动匹配。

10.根据权利要求2—4中任意一项所述的一种具有层间取向差的三明治结构状高强钢的增材制造方法，其特征在于，增材时，采用的保护气体均为99.99％ar，其保护气体流量均为20.00—25.00l/min。