王克鴻教授：多維異質(zhì)異構(gòu)電弧金屬3D打印技術(shù)

南極熊獲悉，2021年11月23日，南極理工大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王克鴻教授，受邀于國賽空中講堂進(jìn)行了“多維異質(zhì)異構(gòu)金屬構(gòu)件受控電弧增材制造技術(shù)”的主題講座。講座過程中，王克鴻教授針對多維異質(zhì)異構(gòu)構(gòu)件的意義以及電弧增材制造在制造多維異質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)方面優(yōu)勢進(jìn)行了闡述。

王克鴻教授指出，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，金屬構(gòu)件的服役環(huán)境越發(fā)的嚴(yán)苛，對構(gòu)件的綜合要求也越來越高。現(xiàn)階段，大部分關(guān)鍵構(gòu)件不僅要求具有高強(qiáng)度、高韌性、高剛度，同時(shí)要求其具備優(yōu)良的耐高溫與耐磨性能等，這就不僅對成形材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)以及宏觀結(jié)構(gòu)提出了嚴(yán)苛的要求。

為實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)雜構(gòu)件的成形，南京理工大學(xué)的王克鴻教授團(tuán)隊(duì)，基于仿生貝殼結(jié)構(gòu)，提出利用受控電弧成形不同金屬材料，成形變成分、變結(jié)構(gòu)的多維異質(zhì)異構(gòu)構(gòu)件，以獲得具備高強(qiáng)韌、高耐磨以及強(qiáng)抗沖擊等綜合性能的金屬構(gòu)件。

貝殼的主要成分是由硬的礦物質(zhì)和軟的蛋白質(zhì)構(gòu)成，但是貝殼卻能夠承受遠(yuǎn)大于自身重量的壓力與海底復(fù)雜水文的巨大摩擦力，貝殼依舊能夠正常生存，這是貝殼在其不同部位、不同區(qū)域都存在不同的微觀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)出微觀的分層錯(cuò)位疊片結(jié)構(gòu)，介觀的分層交疊結(jié)構(gòu)以及宏觀的分區(qū)域鑲嵌結(jié)構(gòu)，綜合形成從微觀到宏觀的多維異構(gòu)，有效提高了貝殼的綜合性能。

基于此，王克鴻教授提出了仿生貝殼的多維異質(zhì)異構(gòu)增材的概念，即首先通過一體化多維設(shè)計(jì)，確定不同區(qū)域的不同結(jié)構(gòu)；隨后，針對不同結(jié)構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)（厘米級），進(jìn)行不同設(shè)計(jì)形成層內(nèi)交疊；接著，通過控制成形材料以及工藝，在不同層內(nèi)交疊結(jié)構(gòu)中形成亞毫米級的分層；最后，通過控制原子結(jié)構(gòu)以及位錯(cuò)分布，形成微米級以及亞微米級的結(jié)構(gòu)交錯(cuò)，以實(shí)現(xiàn)微觀、介觀、宏觀不同尺度上的異質(zhì)異構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)高性能金屬構(gòu)件的成形。

電弧增材制造利用電弧作為熱源，將金屬絲材或粉材熔化，按照既定路徑將熔化的金屬以液滴的方式持續(xù)過渡，形成金屬構(gòu)件。電弧增材相對于激光、電子束等，其成形效率高、對材料的要求低，在成形大尺寸多維異質(zhì)異構(gòu)構(gòu)件方面具有明顯的優(yōu)勢。

基于此，王克鴻教授基于多維異質(zhì)異構(gòu)結(jié)構(gòu)概念以及電弧增材制造技術(shù)優(yōu)勢，將兩者相結(jié)合，提出了大型復(fù)雜多維異質(zhì)異構(gòu)金屬構(gòu)件電弧增材制造新思路，率先利用此技術(shù)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋼與不銹鋼分層交疊結(jié)構(gòu)的成形，并通過對比發(fā)現(xiàn)，使用該方法制得的構(gòu)件的強(qiáng)度提高了1%，沖擊韌性提高了2%左右。

編譯 代軼勵(lì)
△王克鴻教授講座的視頻回放

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