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船用铜/钢梯度材料双丝等离子增材制造工艺及组织性能调控研究

摘要

随着航海和海洋工程对材料性能要求的日益增高，寻找既能承受海洋环境腐蚀又

具备高强度和低成本特性的复合材料成为关键。铜及铜合金因其出色的耐海水腐蚀和

防止海生物附着能力而被广泛应用于船舶关键部件，而钢材则因其结构强度高和成本

低而成为船体的主要构造材料。然而，尽管铜和铁在液态下能够实现良好的互溶，但

它们在固态下的物理和化学性质差异显著，从而导致在焊接过程中易出现应力集中和

焊接裂纹等问题。这些挑战促进了铜/钢功能梯度材料的研发，其旨在通过材料工程解

决性能与成本的矛盾，对于提升船舶及海洋工程设备的经济性和耐久性具有重大意义。

增材制造技术，尤其是电弧增材制造技术，为制备满足多重性能需求的铜/钢功能梯度

材料提供了新途径。本研究旨在探索铜/钢功能梯度材料电弧增材制造的关键技术问题，

包括成形精度控制、热输入管理和界面梯度优化，以期解决其在当前高性能船舶材料

制备中面临的挑战。

首先，针对船用铜/钢功能梯度材料的成形和制造需求，搭建了旁路双丝等离子增

材制造系统，探讨了旁路热丝等离子增材制造关键工艺参数对成形的影响。针对异质

焊丝送丝速度差异所带来的成形问题，通过引入旁路电流，有效解决了异质焊丝难以

同时送到熔池中心的问题，从而提高了成形效率和质量。研究结果表明，通过调整电

弧长度、送丝速度和主旁路电流的比例，能够细致控制熔滴的稳定性和过渡形态，其

中搭桥过渡形态的沉积层表面质量最佳，最适合增材制造的需求。此外，旁路电流的

应用不仅优化了熔滴过渡过程，还减少了对母材的热输入，提升了焊丝的熔化效率，

证明了旁路电流技术在高速电弧增材制造过程中具有显著优势。

其次，围绕船用碳钢和铜/钢梯度材料旁路热丝等离子增材制造技术展开研究，通

过层间温度调控、微观组织分析及力学性能测试，探究该工艺的可行性与增材制造特

性。通过试验发现，层间温度的精确控制显著影响增材制造的成形质量，尤其是当层

间温度维持在100℃时，增材过程展现出较高的稳定性，没有熔池塌陷现象，且微观组

织晶粒细小，珠光体含量高，导致材料硬度显著提升。在铜/钢梯度材料的直接增材制

造过程中，发现铜/钢界面存在复杂的相互作用，铁在铜合金层中以树枝状和类球形状

的形态存在，铜在铁中主要以针状或颗粒状的形式分布，并且在钢处发现了热裂纹。

针对铜/钢直接连接时的微观缺陷，设计了两种有效的过渡策略，直接镍过渡和连续式

梯度过渡，以实现铜到镍再到钢的梯度过渡。

哈尔滨工程大学博士学位论文

再次，针对中间铜镍梯度层，基于旁路热丝等离子弧工艺对其成分进行了调控及

性能进行了试验研究。结果表明，使用旁路电流在铜镍梯度结构的增材制造中可以提

高成形精度，并有效消除梯度层内的横向成分偏析。在铜镍混合梯度层中，随着镍含

量的增加，梯度层的平均晶粒尺寸减小。由于镍含量的不同，不同梯度层内发生了不

同程度的调幅分解，导致晶粒取向和织构组成发生变化。在固溶强化、细晶强化和调

幅分解的综合作用下，其显微硬度和拉伸强度随着镍含量的增加先增加然后减小，在

偏向镍的梯度成分侧达到最大值。断裂分析显示了试件从韧性断裂过渡到准解理断裂

的变化情况。

随后，基于上述研究成果，选取镍、铜镍梯度层作为铜/钢增材制造结构的中间过

渡层，与不采用过渡层的铜/钢结构进行对比分析，探究其在宏观成形、显微组织、力

学性能和腐蚀性能上的差异和优势。结果表明，三种试样均展现出良好的整体成形质

量。微观组织分析揭示了铜/钢、镍钢界面的元素扩散现象，尤其是铜镍钢连续型试样

通过铜镍混合梯度层实现了平稳的成分过渡，有效减少了成分波动和残余应力。力学

性能测试结果显示，铜镍钢连续型中间过渡层试样具有最高的抗拉强度，显著高于铜/

钢直接过渡试样。此外，所有试样在电化学腐蚀试验中均出现了钝化现象，并且铜镍

钢连续型试样在过渡区展现了最优的耐腐蚀性能。

最后，建立有限元模型对铜/钢梯度材料增材制造过程中两种过渡形式的温度场和

应力场进行了数值模拟与分析对比，并重点分析了冷却时间对增材制造过程的影响。

结果表明，热积累效应和材料导热率的差异导致不同梯度层间的最高温度存在显著差

异。与阶梯式过渡相比，采用铜镍连续式过渡的试样展现了更低的残余应力，表明连

续过渡有助于减轻应力集中。适当延长钢材层间冷却时间可以有效减缓热积累效应，

防止重熔现象，而对于导热率高的铜材，适当缩短冷却时间有利于提升增材制造