用高科技合金制造结构件的成本很高,因此,缺陷或磨损的修复对工业生产来说是一项重要的资产[1]。在众多新技术中,激光熔覆(又称直接能量沉积)正处于新兴领先地位。与其他修复工艺相比,熔覆中的能量输入是空间局部的,受热影响区较小[2–4]。在激光熔覆修复的部件中,基材和熔覆区之间会形成一个具有微观结构梯度的界面。它决定了修复部件的内聚力和寿命[5, 6]。工艺参数和部件的具体几何形状共同控制着热输入、熔池形状、空间温度梯度和冷却速度,而这些因素决定着材料的微观结构。材料体积可以经过多次凝固-再熔化循环,打印上述各层,具体取决于熔池深度和形状,熔池深度和形状可能非常复杂,正如 Biegler 等人在 [7] 中通过实验展示的那样。材料随后也会经历退火,因为部件一直处于高温下,直到工艺结束 [8, 9]。
总体来说,“工业4.0”概念为打造“精益生产”提供了机遇;该概念设定的任务是优化工艺流程的管理,以减少事故发生,延长运行设备的使用寿命,有时也被表述为“从定期预防性维护到基于条件的维护的过渡”。因此,优化(改进)控制的任务被添加到第四代自动化过程控制系统的任务中。这种自动化过程控制系统被称为先进过程控制系统(APC)。 TP控制系统必须包含足够强大的长期预测分析手段。在工业生产中,要分析缺陷的出现、脆化、结构件中钢化学成分的变化(可能导致其破坏)、沉积、颗粒狭窄、由于磨料抛光导致的管道壁厚减小(可能导致破裂)等参数,评估振动及其对结构性能、连接等的影响。如果整个生产都由过程控制系统控制,这样的解决方案就称为4+代过程控制系统。
— 收购方面:为设计和建设未来工厂做出贡献也是 2015 年 8 月底收购 Lund Engineering(现为 Fives Lund LLC)的主要动机,该公司专门从事结构件和复合部件的设计。Lund Engineering 在高科技项目设计和执行方面的卓越和技术优势,以及与波音和 Google X 等美国主要客户的牢固关系,使其成为集团的一项重要资产。2015 年 7 月收购 ECL(现为 Fives ECL),该公司专门为原铝厂设计和安装 Pot Tending Machines,这也使 Fives 巩固了其在该领域关键工艺设备的全球领先地位。Fives ECL 与集团共享高质量标准、强大的创新能力以及在全球所有主要铝生产国拥有的独特服务实体。收购 Ernst Polack(现为 Fives Landis GmbH)扩大了 Fives 在德国机床市场的地理覆盖范围。在南非开设区域办事处,以及即将在伊朗开设区域办事处,也凸显了该集团支持其所在市场增长的动力。
功能梯度材料 (FGM) 的概念是为了开发高性能耐热材料而提出的,其中耐热陶瓷与金属混合[1]。FGM 是一类先进的异质材料,其成分和性能表现出可控的空间变化,从而导致其性能 (热/电导率、耐腐蚀、机械、生物化学等) 逐渐变化。FGM 背后的主要思想包括一种不能满足所有设计要求的材料和一种适用于特定位置和操作条件的不同材料。由于这种协同效应,FGM 可应用于不同领域,例如生物医学、汽车和航空航天、电子、光学、核应用、反应堆部件和能量转换 [2]。FGM 的特点是材料之间可以逐渐转变,也可以不连续/突然转变。对于突然转变(直接界面),部件会承受巨大的应力和化学不相容性。相反,连续/渐进的转变可以最大限度地减少这些问题,并改善界面处的机械性能 [3、4]。基于电弧的定向能量沉积(DED-arc),通常称为线材和电弧增材制造(WAAM),是制造 FGM 的一种很有价值的制造技术。使用配备多个独立线材送料器的机器可以轻松进行其生产,从而可以创建在多个方向上具有成分和性能梯度的部件。同时使用两根线材被称为双线和电弧增材制造 (T-WAAM)。尽管如此,在同一熔池中结合两种材料会带来令人困惑的挑战,包括可能形成不良的金属间化合物,这会降低可焊性/可打印性(例如,由于形成热裂纹和高硬度区域)并导致过早失效 [2]。此外,热膨胀系数不匹配、熔化温度差异以及溶解度不足都会导致开裂和脆化 [5]。每根焊丝不同的热物理性质也意味着确保零件无缺陷所需工艺参数存在显著差异。316L 不锈钢与 Inconel 625 的 FGM 用于化工厂、石油天然气和核工业应用。特别是在堆焊管道和阀门中,零件插入两种不同的环境中,需要不同的耐腐蚀和耐磨性(内部接触腐蚀性流体,例如含有高 CO2 和 H2S 的原油,外部接触大气 [6e8])。尽管 Inconel 625 的这些性能更胜一筹,但在结构件的关键区域用不锈钢替代 Inconel 可以降低相关部件成本。两种合金的基质均为单个面心立方 (FCC) 相 (g),主要合金元素为 Fe、Cr 和 Ni。根据工艺和制造策略,可能会出现一些问题,其中热裂纹尤为普遍。Shah 等人 [9] 使用激光定向能量沉积 (L-DED) 分析了工艺参数对 316 不锈钢到 Inconel 718 FGM 制造的影响。作者没有证明由激光诱导裂纹的证据