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增材制備技術與裝備

目前國內制備大構件、大單重鍛件時普遍采用的工藝技術是鑄坯+鍛造，但在制備過程中經常會出現材料心部疏松，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象。為避免上述情況的發生，本公司創新性的提出薄料連鑄+增材制造工藝技術，將大構件分解為均質小件進行分層設計，通過增加小件材料的層數得到大構件，利用真空電子束焊接技術將各層進行焊接封裝成為一個整體構件，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）。增材制備技術可有效降低合金含量，降低生產成本，提升構件的綜合性能。工藝過程如圖1所示。

圖1 增材制備技術工藝簡圖

本公司利用增材制備技術制備了高性能、高品質的特厚板、復合軋輥和復合鋼筋等復合材料，掌握了具有國際先進水平的特厚板真空制坯復合軋制技術（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。
相關技術成果形成多項發明專利，并應用到國內多家大、中型企業。
1、特厚板制備技術與裝備
隨著我國基礎結構建設項目的不斷增加，設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裝備領域對特厚鋼板的需求旺盛。高強度、高等級、高技術含量和高附加值品種的特厚板逐漸成為鋼廠的主打產品。特厚鋼板一般應用于一些特殊的領域，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，保證其良好的內部質量和厚度方向性能。真空制坯熱軋復合技術是一種國際上運用比較成熟的金屬復合技術，該技術不但可以對同質的鋼板進行復合以制備特厚鋼板，還可以對異質金屬進行復合來制備異質金屬復合板，具有極其優異的工藝適應性。與其他生產方法相比，真空制坯熱軋復合法制備復合板的生產效率和成材率均很高，復合界面也具有極為優異的結合性能，非常適合現代化的工業生產。真空軋制復合特厚板的工藝技術流程如圖2所示。

圖2 真空軋制復合特厚板的工藝流程

真空軋制復合技術（VRC）是一項國際先進的高性能特厚鋼板制備技術。東北大學-軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室（簡稱RAL）于2005年在國內率先開展了VRC技術的研究和開發工作，掌握了具有國際先進水平的特厚板真空制坯復合軋制技術（VRC）全流程工藝與裝備，并于2017年將該項技術通過專利成果轉化的方式授予我公司使用。目前該項技術已成功應用到了濟鋼、鞍鋼、南鋼、番禺珠江鋼管、舞陽、文豐等國內大型企業，為企業開發出了不同成分體系和尺寸規格的特厚鋼板。本公司現承接特厚坯制備產線的全套交鑰匙工程，包括用于制坯產線全部裝備的設計、制造、安裝及調試；為特厚板的真空制坯復合軋制生產工藝及裝備提供解決方案；同時可為難焊接（高碳當量、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 特厚板生產現場
（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工藝生產的220mm特厚板

2、復合軋輥的研制
  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停機、降產和設備維修增加等方面因素，則其所占生產成本的比重會更高。軋輥質量不僅關系到軋鋼生產成本和軋機生產作業率，還在很大程度上影響軋材質量。隨著軋鋼技術的發展，軋鋼技術和自動化程度不斷提高，對軋輥質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，研究與使用水平，與發達國家相比，仍有一定的差距，為了滿足軋鋼生產的實際需要，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使用中各方面的特殊要求。所以復合軋輥的研究與應用越來越引起國內外軋輥研究和制造部門的重視。
  目前制造復合軋輥工藝方法有沖洗鑄造法、離心鑄造法、連續澆注外層成形法、電渣重熔法、熱等靜壓法等，但這些制造復合軋輥有其自身無法解決的問題。制造復合碳化物會產生嚴重的偏析現象。W、Cr、Mo、V等合金元素及其碳化物的偏析存在導致鑄坯的組織性能不均勻，且在后續的鍛造過程中，使復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，這些化學元素來不及擴散，易形成心部偏析，產生開裂。一旦開裂，軋輥就會報廢，會造成很大的經濟損失。
  真空疊加復合軋輥是一種將VRC增材復合技術應用在復合軋輥制造，利用均質小（薄）件、分層設計、增材制大的思路設計的一種新型復合軋輥。它是指在真空狀態下將輥芯與快速凝固得到的偏析小的薄規格輥環實現端部密封（可以加中間層也可以不加中間層），再通過后續的高溫高壓形變及相應的工藝技術使工作層與工作層及芯部與工作層實現冶金結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的應用與推廣，已開展了多輪中試試驗，現場照片如圖5所示。此項技術已申請國家發明專利。

圖4 應用VRC增材復合技術制備軋輥的新工藝思路

圖5 與邢臺軋輥合作正開展復合軋輥實驗室研究

增材制備技術與裝備以其技術獨創性，降低生產成本，提升構件的綜合性能。目前，本公司掌握的增材制備技術與研發裝備已創造了近億元的項目應用成果，具有廣泛的應用前景。

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