摘要
天然贝壳生物材料由于具有独特的“砖—泥”交织结构而表现出高强韧及强抗冲击性能，引起科研工作者的广泛关注。本文仿照这种天然珍珠层微观结构进行仿生结构设计，使用等离子弧增材技术制备多种具有强抗冲击性的仿生结构增材件，对所制备的多种仿生结构增材件的性能变化规律进行研究，等离子弧增材。 提炼贝壳珍珠层的仿生结构要素并建立珍珠层仿生结构模型，再结合材料选择、尺寸、工艺选取方面设计出双金属仿生层间叠合结构和双金属仿生层道交织结构，对仿生结构进行结构剖析与特征提炼以对其进行高强韧机理分析。 基于等离子弧增材制造技术，以高强钢为强材、高氮钢为韧材，研究高强钢与高氮钢的成形道高、道宽与所用的增材电流、电弧移动速度、送丝速度之间的规律，得出不同的增材工艺参数对单道表面宏观成形的影响规律，确定符合结构尺寸设计要求的工艺参数：增材电流150A、电弧移动速度18cm/min、送丝速度1m/min。同时探究单层多道的层内表面成形质量与道间搭接率之间的关系并对其道间距工艺参数分析，得出最佳道间距：3mm。形成高强钢、高氮钢的增材工艺窗口，确定双金属仿生结构增材件的成形工艺参数并制备出多种仿生结构增材件。 本文重点研究了双金属仿生层道交织结构以及“3氮+1强”、“1氮+1强”和“1氮+3强”这三种双金属仿生层间叠合结构分别对增材件力学性能的影响规律。主要结论表明：结构中高强钢侧硬度变化在480~500HV，重熔区内，硬度值先提升至峰值505HV后从470HV锐减至355HV左右，高氮钢侧硬度值波动在310~320HV内，硬度分布规律对应符合交织界面组织特征。静态拉伸试验表明层道交织结构的抗拉强度为1189MPa接近于纯高强钢的1247MPa，较纯高氮钢提升了35.73%，层间叠合结构的抗拉强度介于纯高氮钢与层道交织结构之间并随结构中高强钢含量的增加而增大；层道交织结构断后延伸率为20%与“3氮+1强”结构近似并接近于纯高氮钢，较纯高强钢提升了66.67%，层间叠合结构的断后延伸率介于纯高强钢与层道交织结构之间并随结构中高氮钢含量的增加而增大；动态霍普金森杆试验表明层道交织结构的屈服强度为1184MPa，接近于纯高强钢的1266MPa，较纯高氮钢的880MPa提升了34.55%，层间叠合结构中屈服强度最低的为“3氮+1强”结构1050MPa，随着结构中高强钢含量的提升屈服强度会随之增大。层道交织结构能将高氮钢优良的延韧性与高强钢良好的强度同时兼顾，使两种材料优势互补实现了提升抗冲击能力和增强增韧的目的。
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