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增材制備技術(shù)與裝備

目前國內(nèi)制備大構(gòu)件、大單重鍛件時普遍采用的工藝技術(shù)是鑄坯+鍛造，但在制備過程中經(jīng)常會出現(xiàn)材料心部疏松，夾雜和高合金偏析嚴重、組織性能不均勻、以及難變形易開裂等現(xiàn)象。為避免上述情況的發(fā)生，本公司創(chuàng)新性的提出薄料連鑄+增材制造工藝技術(shù)，將大構(gòu)件分解為均質(zhì)小件進行分層設(shè)計，通過增加小件材料的層數(shù)得到大構(gòu)件，利用真空電子束焊接技術(shù)將各層進行焊接封裝成為一個整體構(gòu)件，再通過鍛造、軋制、擠壓等工藝流程制備大型鍛件、厚板、型材、管材等成品（簡稱增材制大）。增材制備技術(shù)可有效降低合金含量，降低生產(chǎn)成本，提升構(gòu)件的綜合性能。工藝過程如圖1所示。

圖1 增材制備技術(shù)工藝簡圖

本公司利用增材制備技術(shù)制備了高性能、高品質(zhì)的特厚板、復(fù)合軋輥和復(fù)合鋼筋等復(fù)合材料，掌握了具有國際先進水平的特厚板真空制坯復(fù)合軋制技術(shù)（VRC）全流程工藝與裝備，可基于真空電子束或攪拌摩擦焊的軋制復(fù)合完成鋼、鈦、鋁、銅、鎂等材料的增材制造，并具備制備特厚鋁板等高附加值材料的能力。
相關(guān)技術(shù)成果形成多項發(fā)明專利，并應(yīng)用到國內(nèi)多家大、中型企業(yè)。
1、特厚板制備技術(shù)與裝備
隨著我國基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)建設(shè)項目的不斷增加，設(shè)備的大型化和對安全要求的不斷提高，在海洋工程、電力、核能、軍工、模具等眾多重大技術(shù)裝備領(lǐng)域?qū)μ睾皲摪宓男枨笸ⅰ８邚姸?、高等級、高技術(shù)含量和高附加值品種的特厚板逐漸成為鋼廠的主打產(chǎn)品。特厚鋼板一般應(yīng)用于一些特殊的領(lǐng)域，這就要求鋼板具有高致密度、高純凈度、高均勻性和低缺陷率，保證其良好的內(nèi)部質(zhì)量和厚度方向性能。真空制坯熱軋復(fù)合技術(shù)是一種國際上運用比較成熟的金屬復(fù)合技術(shù)，該技術(shù)不但可以對同質(zhì)的鋼板進行復(fù)合以制備特厚鋼板，還可以對異質(zhì)金屬進行復(fù)合來制備異質(zhì)金屬復(fù)合板，具有極其優(yōu)異的工藝適應(yīng)性。與其他生產(chǎn)方法相比，真空制坯熱軋復(fù)合法制備復(fù)合板的生產(chǎn)效率和成材率均很高，復(fù)合界面也具有極為優(yōu)異的結(jié)合性能，非常適合現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)。真空軋制復(fù)合特厚板的工藝技術(shù)流程如圖2所示。

圖2 真空軋制復(fù)合特厚板的工藝流程

真空軋制復(fù)合技術(shù)（VRC）是一項國際先進的高性能特厚鋼板制備技術(shù)。東北大學(xué)-軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室（簡稱RAL）于2005年在國內(nèi)率先開展了VRC技術(shù)的研究和開發(fā)工作，掌握了具有國際先進水平的特厚板真空制坯復(fù)合軋制技術(shù)（VRC）全流程工藝與裝備，并于2017年將該項技術(shù)通過專利成果轉(zhuǎn)化的方式授予我公司使用。目前該項技術(shù)已成功應(yīng)用到了濟鋼、鞍鋼、南鋼、番禺珠江鋼管、舞陽、文豐等國內(nèi)大型企業(yè)，為企業(yè)開發(fā)出了不同成分體系和尺寸規(guī)格的特厚鋼板。本公司現(xiàn)承接特厚坯制備產(chǎn)線的全套交鑰匙工程，包括用于制坯產(chǎn)線全部裝備的設(shè)計、制造、安裝及調(diào)試；為特厚板的真空制坯復(fù)合軋制生產(chǎn)工藝及裝備提供解決方案；同時可為難焊接（高碳當(dāng)量、高合金）、大單重的特厚板提供新的工藝路徑和解決方案。

圖3 特厚板生產(chǎn)現(xiàn)場
（a）VRC特厚板制坯車間；（b）真空電子束焊機封裝后的坯料；（c）VRC工藝生產(chǎn)的220mm特厚板

2、復(fù)合軋輥的研制
  軋輥作為軋機的主要的消耗部件，其消耗成本約為軋鋼成本的5%-10%，如果考慮到因軋輥消耗而帶來的生產(chǎn)停機、降產(chǎn)和設(shè)備維修增加等方面因素，則其所占生產(chǎn)成本的比重會更高。軋輥質(zhì)量不僅關(guān)系到軋鋼生產(chǎn)成本和軋機生產(chǎn)作業(yè)率，還在很大程度上影響軋材質(zhì)量。隨著軋鋼技術(shù)的發(fā)展，軋鋼技術(shù)和自動化程度不斷提高，對軋輥質(zhì)量特別是軋輥的耐磨性、強度和韌性等提出了更高的要求。
  目前我國軋輥的生產(chǎn)，研究與使用水平，與發(fā)達國家相比，仍有一定的差距，為了滿足軋鋼生產(chǎn)的實際需要，我國依然每年需要花費大量外匯從國外進口軋輥。為了滿足軋輥在高溫、強載荷、高耐磨、腐蝕和放射性等惡劣環(huán)境中長期工作，通常采用高合金鋼、高耐磨鋼、有色金屬、難熔金屬或上述材料的合金做軋輥，不僅價格昂貴，而且不能同時滿足工業(yè)使用中各方面的特殊要求。所以復(fù)合軋輥的研究與應(yīng)用越來越引起國內(nèi)外軋輥研究和制造部門的重視。
  目前制造復(fù)合軋輥工藝方法有沖洗鑄造法、離心鑄造法、連續(xù)澆注外層成形法、電渣重熔法、熱等靜壓法等，但這些制造復(fù)合軋輥有其自身無法解決的問題。制造復(fù)合碳化物會產(chǎn)生嚴重的偏析現(xiàn)象。W、Cr、Mo、V等合金元素及其碳化物的偏析存在導(dǎo)致鑄坯的組織性能不均勻，且在后續(xù)的鍛造過程中，使復(fù)合軋輥鑄坯變形為軋輥的工藝主要分為鑄坯和鍛造兩個階段。在鑄坯過程中，為了使復(fù)合軋輥表面具有良好的耐磨性、紅硬性和高硬度，往往在鑄坯中添加了大量W、Cr、Mo、V等合金元素，在鑄坯凝固過程中，由于冷卻速度快，這些化學(xué)元素來不及擴散，易形成心部偏析，產(chǎn)生開裂。一旦開裂，軋輥就會報廢，會造成很大的經(jīng)濟損失。
  真空疊加復(fù)合軋輥是一種將VRC增材復(fù)合技術(shù)應(yīng)用在復(fù)合軋輥制造，利用均質(zhì)?。ū。┘?、分層設(shè)計、增材制大的思路設(shè)計的一種新型復(fù)合軋輥。它是指在真空狀態(tài)下將輥芯與快速凝固得到的偏析小的薄規(guī)格輥環(huán)實現(xiàn)端部密封（可以加中間層也可以不加中間層），再通過后續(xù)的高溫高壓形變及相應(yīng)的工藝技術(shù)使工作層與工作層及芯部與工作層實現(xiàn)冶金結(jié)合的一種冶金機械零件。工藝流程如圖4所示。我公司目前正在與某鋼廠進行此項技術(shù)的應(yīng)用與推廣，已開展了多輪中試試驗，現(xiàn)場照片如圖5所示。此項技術(shù)已申請國家發(fā)明專利。

圖4 應(yīng)用VRC增材復(fù)合技術(shù)制備軋輥的新工藝思路

圖5 與邢臺軋輥合作正開展復(fù)合軋輥實驗室研究

增材制備技術(shù)與裝備以其技術(shù)獨創(chuàng)性，降低生產(chǎn)成本，提升構(gòu)件的綜合性能。目前，本公司掌握的增材制備技術(shù)與研發(fā)裝備已創(chuàng)造了近億元的項目應(yīng)用成果，具有廣泛的應(yīng)用前景。