一种增材制坯界面结合性能的评价方法

技术领域

本发明涉及锻件性能评价技术领域，具体而言，涉及一种增材制坯界面结合性能的评价方法。

背景技术

增材制坯方法是大型金属锻件的新型制造技术，具体包括首先利用洁净钢、垂直铸机等生产出大型高质量圆柱铸坯，圆柱铸坯经加热后放入模具中，利用高温高压将其制备成初始坯料，然后将多个初始坯料堆垛成型，得到预制坯；随后对预制坯进行焊接以使多个初始坯料之间的结合界面焊合，得到复合坯；最后，复合坯经热压复合制备得到高质量锻件。增材制坯方法能够替代传统的“大型铸件生产大型锻件”的方法，以解决大型锻件缩松、缩孔、偏析等质量问题。

增材制坯方法中的界面结合性能是影响锻件质量的重要因素，目前，常对锻件试样的结合界面位置进行大量取样，然后对试样整体进行盲测来分析结合界面处的结合性能，但是受锻件本体中夹杂物、材料缺陷等因素的影响，难以判断检测的力学性能是否属于结合界面处的性能，导致增材制坯的界面结合性能的评价准确性较低。

发明内容

本发明解决的问题是如何提高增材制坯界面结合性能的评价准确性。

为解决上述问题，本发明提供一种增材制坯界面结合性能的评价方法。

本发明提供了一种增材制坯界面结合性能的评价方法，包括：

采用增材制坯方法制备得到锻件；

对所述锻件进行加工，得到包括所述锻件结合界面的冲击用标准试样；

对所述标准试样上的结合界面位置进行标记，得到界面标记线；

沿着所述界面标记线，在所述标准试样的侧面上加工“V”型缺口；

对加工后的所述标准试样进行冲击试验，根据试验结果评价界面结合性能。

可选地，所述对所述锻件进行加工，得到包括所述锻件结合界面的冲击用标准试样包括：

对所述锻件进行加工，得到包括所述锻件结合界面的初始试样；

采用金相试样制备方法对所述初始试样的表面进行抛磨处理，得到处理后的初始试样；

在所述处理后的初始试样上确定所述结合界面位置，并对所述处理后的初始试样进行加工，得到包括结合界面的所述标准试样。

可选地，所述对所述标准试样上的结合界面位置进行标记，得到界面标记线包括：

对所述标准试样上的所述结合界面位置进行机械定位划线或激光打标，得到所述界面标记线。

可选地，所述对加工后的所述标准试样进行冲击试验包括：

对加工后的所述标准试样进行常温冲击试验和/或低温冲击试验。

可选地，所述根据试验结果评价界面结合性能包括：

对冲击试验后所述标准试样的断口进行观察分析，结合冲击试验的冲击功数值，所述标准试样的断口走向、断口形貌和断口界面处的材料成分评价增材制坯的界面结合性能。

可选地，所述结合冲击试验的冲击功数值，所述标准试样的断口走向、断口形貌和断口界面处的材料成分评价增材制坯的界面结合性能包括：

将冲击试验的冲击功数值与所述标准试样本体材料的冲击功数值进行对比，根据第一对比结果评价增材制坯的界面结合性能；

将冲击试验后所述标准试样的断口走向与所述标准试样的抛磨面上的所述界面标记线进行对比，根据第二对比结果评价所述界面结合性能；

根据冲击试验后所述标准试样的断口形貌判断断裂类型，根据所述断裂类型评价所述界面结合性能；

根据冲击试验后所述标准试样断口界面处的材料成分评价所述界面结合性能。

可选地，所述根据第一对比结果评价增材制坯的界面结合性能包括：

若冲击试验的冲击功数值与所述标准试样本体材料的冲击功数值的差值小于或等于预设阈值，则增材制坯的界面结合性能良好；若否，则所述界面结合性能不佳。

可选地，所述根据第二对比结果评价增材制坯的界面结合性能包括：

若所述标准试样的断口走向与所述界面标记线相近，则增材制坯的界面结合性能不佳；若否，则所述界面结合性能良好。

可选地，所述断裂类型包括韧性断裂和脆性断裂，所述根据所述断裂类型评价所述界面结合性能包括：

当断口的所述断裂类型为韧性断裂时，若断口界面的韧窝中氧化物的数量超过预设值，则表示所述标准试样在界面结合位置断裂，增材制坯的界面结合性能不佳；若断口界面的韧窝中夹杂物不同于本体材料表面氧化物，则属于本体断裂，所述界面结合性能良好；

当断口的所述断裂类型为脆性断裂时，若所述断口走向与所述界面标记线不重合，则表示所述标准试样未在界面结合位置断裂，所述界面结合性能良好；若所述断口走向与所述界面标记线重合，则表示所述标准试样在界面结合位置断裂，所述界面结合性能不佳。

可选地，所述根据冲击试验后所述标准试样断口界面处的材料成分评价所述界面结合性能包括：

若断口界面韧窝中的材料成分与所述标准试样本体材料表面氧化膜的成分相同，则表示所述标准试样在界面结合位置断裂，增材制坯的界面结合性能不佳；

若断口界面韧窝中的材料成分与所述标准试样本体材料表面氧化膜的成分不同，则表示所述标准试样未在界面结合位置断裂，所述界面结合性能良好。

可选地，所述“V”型缺口的弧形过渡段中心线与所述界面标记线之间的距离小于或等于230μm。

可选地，所述“V”型缺口的弧形过渡段的宽度为460μm。

本发明的增材制坯界面结合性能的评价方法的有益效果是：采用增材制坯方法制备得到需要进行界面结合性能评价的锻件。对锻件进行加工，得到用于冲击的标准试样，标准试验需要包括锻件的结合界面。对标准试样上结合界面的位置进行标记，得到界面标记线，便于后续针对结合界面处进行冲击试验，以及与断口相比较以评估界面结合性能。可在标准试样的一个侧面上，沿着界面标记线加工出“V”型缺口，对加工出“V”型缺口的标准试样进行冲击试验时，标准试样会从“V”型缺口开始起裂产生断口。由于“V”型缺口是沿着界面标记线加工得到的，使得断口从标准试样的结合界面处起裂，根据冲击试验的试验结果就可实现针对界面结合处性能的准确分析，提高对增材制坯界面结合性能的评价准确性。

附图说明

图1为本发明实施例的增材制坯界面结合性能的评价方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的锻件和初始试样的对应关系示意图；

图3为本发明实施例的初始试样的结构示意图；

图4为本发明实施例的标准试样的结构示意图；

图5为本发明实施例的加工“V”型缺口后的标准试样的结构示意图；

图6为本发明实施例的标准试样断裂后得到的第一部分的结构示意图；

图7为本发明实施例的“V”型缺口的平面示意图；

图8为本发明实施例的光镜视野中“V”型缺口和界面标记线；

图9为本发明实施例的光镜视野中标准试样的断口和界面标记线；

图10为本发明实施例的标准试样未在结合界面处断裂的断口形貌；

图11为本发明实施例的标准试样在结合界面处断裂的断口形貌；

图12为本发明实施例的标准试样在结合界面处断裂时断口界面的材料成分分布图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。虽然附图中显示了本发明的某些实施例，然而应当理解的是，本发明可以通过各种形式来实现，而且不应该被解释为限于这里阐述的实施例，相反提供这些实施例是为了更加透彻和完整地理解本发明。应当理解的是，本发明的附图及实施例仅用于示例性作用，并非用于限制本发明的保护范围。

应当理解，本发明的方法实施方式中记载的各个步骤可以按照不同的顺序执行，和/或并行执行。此外，方法实施方式可以包括附加的步骤和/或省略执行示出的步骤。本发明的范围在此方面不受限制。

本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”；术语“可选地”表示“可选的实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。需要注意，本发明中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。

需要注意，本发明中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。

如图1所示，本发明实施例提供的一种增材制坯界面结合性能的评价方法，包括：

步骤S100，采用增材制坯方法制备得到锻件。

具体地，对于低合金钢材料等，可在制坯过程中，在其界面结合位置附近不影响其结合性能的位置添加不锈钢的薄板。

步骤S200，对所述锻件进行加工，得到包括所述锻件结合界面的冲击用标准试样。

具体地，从大型锻件中取样，并对取样进行打磨等加工处理，得到用于冲击的标准试样，该标准试样包括锻件的结合界面。

步骤S300，对所述标准试样上的结合界面位置进行标记，得到界面标记线。

具体地，在标准试样上标记处结合界面的位置，形成界面标记线。

步骤S400，沿着所述界面标记线，在所述标准试样的侧面上加工“V”型缺口。

具体地，如图5所示，可根据国标GB/T229的要求，在标准试样的一个侧面上沿着界面标记线开出“V”型缺口。加工出“V”型缺口后，可在缺口投影仪上判断“V”型缺口的尺寸是否满足标准试样的尺寸要求，如图7所示，需使“V”型缺口的根部(弧形过渡段)正对界面标记线，其中，所述“V”型缺口的弧形过渡段中心线与所述界面标记线之间的距离可小于或等于230μm，所述“V”型缺口的弧形过渡段的宽度可为460μm。保证“V”型缺口的根部对准界面标记线，能够减少冲击带来的误差，提高增材制坯界面结合性能的评价准确性。

可通过光镜在两个抛磨面观察“V”型缺口根部与界面标记线之间的偏差，并对“V”型缺口两侧的标准试样分别进行标记，例如图5中界面标记线将标准试样划分为两个部分，包括第一部分1#和第二部分2#，以免冲击试验后标准试验断裂出现混样现象，影响断口界面观察的准确性。

如图8所示，加工得到“V”型缺口以后，可采用光镜观察“V”型缺口和界面标记线的情况，图8(a)为光镜视野中“V”型缺口的形貌，其中，“V”型缺口的根部与界面标记线相对；图8(b)为光镜视野中标准试样拋磨面的形貌，其中，“V”型缺口在标注试样的侧面呈一条槽。

“V”型缺口的根部为弧形，有利于冲击过程中试样起裂及断裂走向沿薄弱位置进行，能够大幅减少了“V”型缺口不能完全正对结合界面而产生的性能偏差影响，进而提高界面结合性能的评价准确性。

采用“V”型缺口冲击试验来评价界面结合性能，能够充分利用结合界面的氧化物、界面位错、界面与本体晶粒度差异和结合界面宽度对冲击缺口敏感性来评价界面结合性能。由于结合界面的元素扩散区域横向宽度基本处于500μm以下，正好可以利用“V”型缺口根部对准该区域，充分利用缺陷对冲击性能的影响，判定界面结合性能。结合界面存在一定的“短程平直、长程弯曲”的现象，根据其变形特点、试样加工特点，以及后续的断口评定难易程度等，相较于现有技术的剪切、拉伸等其它冲击手段，采用“V”型缺口冲击试验，易于加工试样和评价断口性能，且评价准确性高。

步骤S500，对加工后的所述标准试样进行冲击试验，根据试验结果评价界面结合性能。

具体地，对加工后的标准试样进行冲击试验，保护好冲击试验后标准试验的断口，通过对断口表面和标准试样的抛磨面等进行观察分析，评价锻件增材制坯的界面结合性能。

本实施例中，采用增材制坯方法制备得到需要进行界面结合性能评价的锻件。对锻件进行加工，得到用于冲击的标准试样，标准试验需要包括锻件的结合界面。对标准试样上结合界面的位置进行标记，得到界面标记线，便于后续针对结合界面处进行冲击试验，以及与断口相比较以评估界面结合性能。可在标准试样的一个侧面上，沿着界面标记线加工出“V”型缺口，对加工出“V”型缺口的标准试样进行冲击试验时，标准试样会从“V”型缺口开始起裂产生断口。由于“V”型缺口是沿着界面标记线加工得到的，使得断口从标准试样的结合界面处起裂，根据冲击试验的试验结果就可实现针对界面结合处性能的准确分析，提高了对增材制坯界面结合性能的评价准确性，能够真实反应增材制坯的界面结合性能，有利于增材制坯方法的推广应用。

可选地，所述对所述锻件进行加工，得到包括所述锻件结合界面的冲击用标准试样包括：

步骤S201，如图2和图3所示，对所述锻件进行加工，得到包括所述锻件结合界面的初始试样。

具体地，首先对锻件的结合界面位置进行初步判定，然后通过加工取样得到包括部分结合界面的初始试样，例如初始试样的形状可为长方体，大小可为20×20×100mm，其长度方向可垂直于结合界面，即初始试样的中部包括锻件的结合界面。可采用磨床对初始试样的表面进行精磨，使得初始试样的表面粗糙度小于1.6μm。

步骤S202，采用金相试样制备方法对所述初始试样的表面进行抛磨处理，得到处理后的初始试样。

具体地，可对初始试样的两个对称的侧面进行抛磨处理，例如对于上述的形状为长方体的初始试样，可将其对称的两个20×100mm的侧面进行金相试样制备方法的抛磨处理，便于后续对冲击试验后观察断口走向和断口形貌等，以提高界面结合性能的评价准确性。

步骤S203，如图4所示，在所述处理后的初始试样上确定所述结合界面位置，并对所述处理后的初始试样进行加工，得到包括结合界面的所述标准试样。

具体地，可通过光学显微镜等对处理后的初始试样的表面进行详细观察，确定结合界面位置。可按照国标GB/T229的要求，将处理后的初始试样加工成用于冲击的标准试样，其中，标准试样需要包括锻件的结合界面，标准试样的大小可为10×10×55mm。图2至图6中的网格区域为试样的同一侧面，即拋磨面。

本可选的实施例中，通过金相试样制备方法对试样表面进行拋磨处理，便于从试样的侧面准确确定界面结合位置，以及后续从侧面能够清楚观察断口形貌和断口走向等，有利于将断口走向与界面标记线相比较，以评价界面结合性能。并且，通过拋磨处理后能够提高界面结合处定位的准确性，以提高界面结合性能的评价准确性。

可选地，所述对所述标准试样上的结合界面位置进行标记，得到界面标记线包括：

对所述标准试样上的所述结合界面位置进行机械定位划线或激光打标，得到所述界面标记线。

具体地，可观察两个抛磨面上的结合界面位置，然后根据两个抛磨面上的界面结合位置对标准试样四个侧面上的界面结合位置进行机械划线或激光划线，标记出界面结合位置，得到界面标记线。

本可选的实施例中，通过机械划线或激光达标能够准确定位界面结合位置，进而提高界面结合性能的评价准确性。

可选地，所述对加工后的所述标准试样进行冲击试验包括：

对加工后的所述标准试样进行常温冲击试验和/或低温冲击试验。

具体地，可按照国家标准GB/T229的要求，对加工后的标准试样进行常温冲击试验和/或低温冲击试验。常温、低温冲击试验的试验方式对试样内部缺陷(如夹杂物)比较敏感，使得标准试样容易沿夹杂物发生开裂，例如，结合界面若存在较多的氧化物，尤其是大颗粒时，其冲击断口就容易在界面结合处发生开裂。

针对不同的材料特性，可采用不同的冲击试验，一般材料使用常温冲击试验即可；但对于对低温比较敏感的材料，可采用低温冲击试验，使得在低温时材料容易发生低温冲击脆断，形成平直的脆断断口形貌，尤其是材料有夹杂物时，更容易沿夹杂物处发生断裂。

可选地，所述根据试验结果评价界面结合性能包括：

对冲击试验后所述标准试样的断口进行观察分析，结合冲击试验的冲击功数值，所述标准试样的断口走向、断口形貌和断口界面处的材料成分评价增材制坯的界面结合性能。

具体地，冲击实验后标准试样的端口界面如图6所示，可利用光学显微镜和扫描电子显微镜等对标准试样的断口和抛磨面进行观察，结合冲击功数值、断口走向、断口形貌和断口界面的材料成分综合锻件增材制坯的界面结合性能。

本可选的实施例中，综合冲击试验的冲击功数值、断口走向、断口形貌和断口界面处的材料成分来评价增材制坯的界面结合性能，能够从多个维度、多个方向验证性能评价结果，提高界面结合性能的评价准确性。

可选地，所述结合冲击试验的冲击功数值，所述标准试样的断口走向、断口形貌和断口界面处的材料成分评价增材制坯的界面结合性能包括：

将冲击试验的冲击功数值与所述标准试样本体材料的冲击功数值进行对比，根据第一对比结果评价增材制坯的界面结合性能；

将冲击试验后所述标准试样的断口走向与所述标准试样的抛磨面上的所述界面标记线进行对比，根据第二对比结果评价所述界面结合性能；

根据冲击试验后所述标准试样的断口形貌判断断裂类型，根据所述断裂类型评价所述界面结合性能；

根据冲击试验后所述标准试样断口界面处的材料成分评价所述界面结合性能。

具体地，标准试样上结合界面以外部分采用的材料为本体材料，也即锻件上除结合界面以外部分的材料。

可选地，所述根据第一对比结果评价增材制坯的界面结合性能包括：

若冲击试验的冲击功数值与所述标准试样本体材料的冲击功数值的差值小于或等于预设阈值，则增材制坯的界面结合性能良好；若否，则所述界面结合性能不佳。

具体地，冲击试样的冲击功数值与本体材料的冲击功数值相当，则表示结合界面处的性能优于本体材料，或与本体材料的性能相当，说明界面结合的性能良好。若冲击试样的冲击功数值远低于本体材料的冲击功数值，则表示界面结合性能不佳。

可选地，所述根据第二对比结果评价增材制坯的界面结合性能包括：

若所述标准试样的断口走向与所述界面标记线相近，则增材制坯的界面结合性能不佳；若否，则所述界面结合性能良好。

具体地，若标准试样的断口走向与界面标记线贴近或重合等，则表示标准试样沿结合界面断裂。如图9所示，可采用光镜观察冲击试验前后标准试样拋磨面的形貌，可对拋磨面的多个连续视野位置进行观察拍照，然后合成制图，图9(a)为冲击试验前拋磨面的形貌，其中，虚线为界面标记线所在位置；图9(b)为冲击试验后拋磨面的形貌，其中，虚线为界面标记线所在位置，实线为冲击试验后实际断口位置。

可选地，所述断裂类型包括韧性断裂和脆性断裂，所述根据所述断裂类型评价所述界面结合性能包括：

当断口的所述断裂类型为韧性断裂时，若断口界面的韧窝中氧化物的数量超过预设值，则表示所述标准试样在界面结合位置断裂，增材制坯的界面结合性能不佳；若断口界面的韧窝中夹杂物不同于本体材料表面氧化物，则属于本体断裂，所述界面结合性能良好；

当断口的所述断裂类型为脆性断裂时，若所述断口走向与所述界面标记线不重合，则表示所述标准试样未在界面结合位置断裂，所述界面结合性能良好；若所述断口走向与所述界面标记线重合，则表示所述标准试样在界面结合位置断裂，所述界面结合性能不佳。

可选地，所述根据冲击试验后所述标准试样断口界面处的材料成分评价所述界面结合性能包括：

若断口界面韧窝中的材料成分与所述标准试样本体材料表面氧化膜的成分相同，则表示所述标准试样在界面结合位置断裂，增材制坯的界面结合性能不佳；

若断口界面韧窝中的材料成分与所述标准试样本体材料表面氧化膜的成分不同，则表示所述标准试样未在界面结合位置断裂，所述界面结合性能良好。

具体地，由于增材制坯方法中将多个初始坯料对多成型，得到预制坯，其中，初始坯料表面会存在氧化膜。若断口界面韧窝中的材料成分与本体材料(初始坯料)表面氧化膜成分相同，则表示标准试样在界面结合位置(即初始坯料之间的结合位置)断裂，说明增材制坯的界面结合性能不佳。对应地，若韧窝中材料成分为夹杂物，与本体材料表面氧化膜的成分不同，则表示标准试样并不是从界面结合位置断裂，说明界面结合性能良好。

示例性地，首先将冲击试验的冲击功数值与标准试样本体材料的冲击功数值进行对比，若冲击试验的冲击功数值与标准试样本体材料的冲击功数值的差值小于或等于第一预设阈值，预设阈值可根据实际需求具体设置，此时无论标准试样的断口是否沿着界面标记线断裂，都说明锻件结合界面处的性能优于或等于锻件本体材料的性能，增材制坯的界面结合性能良好。

若冲击试验的冲击功数值远小于标准试样本体材料的冲击功数值，例如标准试样本体材料的冲击功数值减去冲击试验的冲击功数值的差值小于第二预设阈值，第二预设阈值可等于第一预设阈值，也可不等于第一预设阈值，同样可根据实际需求具体设置。此时，可将冲击试验后标准试样的断口走向与标准试样的抛磨面上的界面标记线进行对比，若断口沿着界面标记先断裂，则确认结合界面处的性能弱于锻件本体材料的性能，增材制坯的界面结合性能不佳。若断口未沿着界线标记线断裂，则可进一步确定界面结合性能，例如重新进行冲击功数值的对比，或结合断口形貌和断口界面出的材料成分进行评价。

通过观察断口形貌，若断裂面粗糙、高低不平、呈放射状，断口处存在起裂源、扩展区、剪切唇等部位，并且断口界面存在许多韧窝的形貌，韧窝内存在氧化物，且氧化物类型与坯料表面氧化膜成分类型相同时，表示该断口的断裂类型为韧性断裂，可初步确定标准试样在结合界面处断裂；若断口处断裂面平直、平坦，几乎没有韧窝，且断口走向不与界面标记线重合，则表示该断口的断裂类型为脆性断裂，可初步确定标准试样未在结合界面处断裂。

如图10所示为标准试样未在结合界面处断裂的断口形貌，图10(a)为断口处起裂源的低倍图；图10(b)为断口处起裂源的放大图；图10(c)为断口处扩展区的低倍图；图10(d)为断口处扩展区的放大图。

如图11所示为标准试样在结合界面处断裂的端口形貌，图11(a)为断口处裂纹源的形貌图；图11(b)为断口处裂纹源的放大图；图11(c)为断口处开裂区的形貌图。

然后，可将韧窝处的氧化物成分与标准试样本体材料表面氧化膜的成分进行对比，若不同，则确认标准试样未在结合界面处断裂，表示增材制坯的界面结合性能良好。若相同，可确定标准试样在结合界面处断裂，可结合断口走向和冲击功等，最终确定增材制坯的界面结合性能不佳。

如图12所示，对断口处韧窝内氧化物的成分进行分析，可以得到各种元素的数量，通过与本体材料表面氧化膜的成分相比较，以确定该断口位置是否为界面结合处。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。