本书是中国一重重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队心血的结晶与智慧的总结。书中通过大量翔实的试验数据和丰富的图表，详细阐述了在大型锻件的增材制坯（增材制造方式组坯 坯料改性）原创性技术路线指引下，开展的不同方式的液固复合组坯、各类材料固固复合组坯、复合界面愈合、坯料的均匀化、双超圆坯半连铸机等一系列相关设备研制及变革性创新研究成果与工程应用预测。本书指出了大型锻件坯料制备的发展方向，对于系统解决大型锻件所需的大型钢锭存在严重的偏析、夹杂、有害相等世界性难题，对推动大型锻件原创技术策源地建设及我国装备制造业高质量发展具有重要的指引和参考价值。
本书可供大型锻件制造行业的研发、技术、生产人员使用，也可供高等院校相关方向的研究生和教师参考。
本书为国家出版基金项目，属关键基础零部件原创技术策源地系列图书中的一册，书中介绍了由中国一重首席科学家、中央企业优秀科技创新团队带头人王宝忠及其重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队的原创性技术，为国家大型铸锻件原创技术策源地建设提供了理论依据，为国家超重型热模锻压力机自主创新工程的实施奠定了坚实基础。
高质量发展是创新驱动的发展，且是今后一个发展阶段的主题。作为关键基础零部件（大型铸锻件）原创技术策源地的中国一重集团有限公司（简称：中国一重），在维护国家安全和国民经济命脉方面发挥着至关重要的作用。习近平总书记2018年9月26日第二次到中国一重视察时，在具有国际领先水平的超大型核电锻件展示区前发表了重要讲话：中国一重在共和国历史上是立过功的，中国一重是中国制造业的重地。制造业，特别是装备制造业高质量发展是我国经济高质量发展的重中之重，是一个现代化大国必不可少的。希望中国一重肩负起历史重任，制定好发展路线图。
为落实好习近平总书记的重要讲话精神，中国一重于2019年1月成立了重型高端复杂锻件制造技术变革性创新能力建设项目工作领导小组，并组建了重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队。该团队分别入选了中央企业优秀科技创新团队和黑龙江省头雁团队，开展了一系列变革性创新研究工作。
大型锻件作为量大面广的关键基础零部件，是装备制造业发展的基础，决定着重大装备和主机产品的性能、水平、质量和可靠性，是我国装备制造业由大到强转变、实现高质量发展的关键。我国大型锻件制造技术的发展经历了20世纪六七十年代的全面照搬苏联、八九十年代的引进和消化日本JSW以及21世纪以来的自主创新。通过蹒跚学步、跟跑到并跑，不仅成为制造大国，而且部分绿色制造技术已达到国际领先水平，但未解决传统钢锭中存在的偏析、夹杂及有害相等缺陷，大型锻件塑性成形中存在材料利用率低、混晶、锻造裂纹等共性世界难题。这些难题依靠传统的制造方式是难以破解的，需要开发变革性创新技术，依靠创新驱动来推动大型锻件的高质量发展。
马克思主义的认识论强调，新理论产生于新实践，新实践需要新理论指导。中国一重在重型高端复杂锻件制造技术变革性创新实践活动中，归纳出了增材制坯、FGS锻造等新的理论，用于指导关键基础零部件（大型铸锻件）原创技术策源地建设的实践活动。此外，为了实现大型锻件的高质量发展，还需要解决自由锻造液压机吨位较小、模锻液压机空间尺寸较小，以及挤压机功能单一等问题。
关键基础零部件原创技术策源地系列图书由《大型锻件的增材制坯》《大型锻件FGS锻造》和《超大型多功能液压机》组成，三者关系类似于制作美味佳肴的食材、厨艺和厨具。增材制坯是制备形神兼备的大型锻件的有机食材，FGS锻造是制作关键基础零部件的精湛厨艺，超大型多功能液压机是实现增材制坯和FGS锻造的完美厨具。
《大型锻件的增材制坯》用典型案例归纳了传统钢锭中存在偏析、夹杂及有害相等缺陷的共性技术难题，针对现有增材制造方法难以制备大型锻件所需坯料的实际情况，提出了增材制坯的新理论。通过一系列变革性的实践，丰富了增材制坯技术路线，为系统解决偏析、夹杂及有害相的共性技术难题指明了发展方向。
增材制坯是利用增材制造的方式将有效基材进行组合，并使组合坯料的界面愈合，进而使组织均匀化的原创性大型锻坯的制备技术。
在传统的大型锻件制造流程中，都是先制备大型钢锭，然后锻造出所需的形状，并通过热处理改变内部的组织与性能。始于钢锭制备终于性能热处理的大型锻件的制造贯穿于热加工全过程，铸锭被称为锻件的初生儿，是决定锻件优劣的关键，但在传统钢锭中，都会存在偏析、夹杂及有害相等缺陷，而且钢锭越大，缺陷越严重。虽然钢锭中的缺陷在随后的锻造及热处理阶段可以得到一定程度的改善，但不仅付出的代价过大，而且有些缺陷仍不能被完全消除。终保留在大型锻件中的缺陷，往往会导致大型锻件的报废。实践证明，碳偏析严重的是轧辊和单包浇注的核电封头；外露夹杂主要体现在模铸钢锭先凝固的水口端；有害相主要体现在大断面的不锈钢及高温合金材料；材料利用率低主要体现在模铸钢锭水口、冒口切除量大，以及重型、复杂锻件难以实现近净成形。这些世界性难题需要变革性技术加以解决，因此呼唤原创性技术的诞生。
ⅥⅦ为了解决大型钢锭中存在上述缺陷的世界性难题，全球的科技工作者们一直在进行着不懈的努力。中国一重重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队带头人原创性地提出了大型锻件的增材制坯（增材制造方式组坯 坯料改性）的技术路线，并带领团队成员开展了基材制备、液固复合组坯、固固复合组坯、界面愈合和组合坯料的均匀化、双超圆坯立式半连铸机等一系列相关设备研制及变革性创新研究工作，取得了可喜的成果。大型锻件增材制坯技术发展方向，将有助于大型锻件变革性制造技术的传承与发展，可助力我国关键基础零部件制造技术更好、更快地发展，从而为我国关键基础零部件制造技术从跟随向引领的方向转变奠定坚实的技术基础。
本书详细介绍了不同材料、不同方式液固组坯复合试验，给出了大型锻件所需坯料的增径方法；对固固复合组坯涉及的氧化膜、真空度、变形量等进行了系统研究，提出了独到的大型坯料制备方法；对增材制坯所需的双超圆坯立式半连铸机装备及基材处理工装等进行了介绍。
本书共分8章。第1章用工程案例介绍了大型模铸钢锭中存在的偏析、夹杂及有害相等缺陷对大型锻件的危害；第2章对常见的增材制造方式特点进行了简述，提出并诠释了满足大型锻件需求的大型坯料制备的原创性增材制坯技术；第3章对双超圆坯立式半连铸机研制进行了论证，并对铸坯的多样性应用进行了描述；第4章通过一系列相关试验，对液固复合组坯进行了详细介绍；第5章通过一系列相关试验，对固固复合组坯进行了详细介绍；第6章对界面不同的愈合方式进行了分析对比；第7章对组合坯料通过重结晶/再结晶实现均匀化的研究工作进行了实践及论证；第8章对大型锻件的增材制坯技术研究进行了系统总结，并对应用前景进行了展望。
本书是增材制坯理论与实践的总结与提炼，包含轧辊材料的液固复合组坯解剖试验、合金钢及不锈钢固固复合组坯解剖试验等大量珍贵的技术资料，希望能成为大型锻件从业者的技术工作指南。此外，由于本书涉及的内容突破了传统理论，亦可供高等院校及研究院所从事大型锻件理论学习和研究人员参考。
本书由中国一重重型高端复杂锻件制造技术变革性创新研究团队带头人王宝忠执笔并统稿，团队成员刘凯泉、张心金、赵德利、刘海澜等参与了部分章节的撰写。此外，刘颖、任利国、白亚冠、周岩等参与了部分研究与编写等工作。
在增材制坯的变革性创新技术研究中，得到了中国一重、辽宁辽重新材有限公司等单位的大力支持，在此一并表示感谢！
由于我们的水平有限，书中难免存在缺点和错误，敬请读者批评指正！
作者序一
序二
前言
第1章大型模铸钢锭的共性技术问题1
11偏析1
111支承辊材料2
112核电材料4
1121封头锻件4
1122筒体锻件8
113转子9
1131火电低压转子9
1132联合转子13
1133核电整锻低压转子13
114高温合金16
12夹杂物17
121外露夹杂17
1211支承辊外露夹杂17
1212汽轮机高中压转子外露
夹杂20
122内部夹杂22
1221接管段内部夹杂22
1222高温合金涡轮盘内部夹杂23
13有害相25
131网状碳化物25
1311合金钢网状碳化物25
1312不锈钢网状碳化物26
132高温合金TCP相29
14材料利用率低31
141水室封头31
142主管道34第2章增材制坯的提出及内涵36
21增材制造的发展36
2113D打印37
212堆焊成形37
213喷射成形39
214热轧复合41
22增材制坯的内涵47
221增材制坯技术路线48
222有效基材48
2221合金钢49
2222不锈钢62
2223高温合金62
223液固复合组坯64
2231整体包覆式64
2232局部包覆式65
224固固复合组坯65
225界面愈合65
226坯料的均匀化67第3章双超圆坯立式半连铸机的研制与应用71
31双超圆坯立式半连铸机的研制71
311研制目的71
3111铸坯技术的变革71
3112连铸与模铸的对比72
3113连铸坯代替钢锭的发展74
3114立式半连铸机与弧形连铸机的
对比76
312双超圆坯立式半连铸机需要解决的
关键技术77
3121心部质量77
3122坯尾补缩79
3123拉坯速度80
3124铸流间距80
313双超圆坯立式半连铸机的结构80
314双超圆坯立式半连铸机的参数88
315内部质量控制90
316自动化与信息化92
32双超圆坯的应用95
321锻坯95
3211支承辊95
3212船用曲柄99
3213船用轴锻件100
3214水轮机主轴锻件102
3215风机轴104
3216铰链梁107
3217管模109
3218高强度特厚钢板110
3219其他111
322复合芯棒114ⅩⅨ第4章液固复合组坯115
41包覆式模铸115
411同种材料115
4111支承辊118
4112GH4169合金铸锭129
412异种材料132
42电渣重熔增径135
421电渣重熔钢锭断面的局限性135
422钢液增径135
423电极增径135第5章固固复合组坯138
51料块表面加工控制138
511料块表面氧化膜结构138
5111冷态下料块表面氧化膜
结构138
5112热态处理后料块表面氧化膜
结构141
5113环境对料块表面氧化的
影响146
512料块表面加工151
5121机械加工152
5122化学处理158
5123激光处理160
52料块表面清洁与检测167
521料块表面清洁167
522料块表面清洁度检测167
53料块组坯169
54料块真空封焊169
541真空焊接设备169
542真空度对料块表面氧化的影响170
543焊接密封效果171
544抽真空与材料出气速率171
545真空焊接工艺172
546料块类型对真空焊接工艺的
影响175
55固固复合组坯自动化设计177
551现有技术缺点及难点177
552增材制坯固固复合关键技术
步骤178
553增材制坯固固复合料块的
制造及模具181
554增材制坯固固复合制坯处理
系统及处理方法185第6章复合界面的愈合202
61液固复合界面愈合202
611合金钢大气浇铸复合202
6111大气浇铸复合坯料界面宏观
形貌202
6112大气浇铸复合坯料界面微观
形貌203
6113大气浇铸复合坯料界面
氧化物分析204
6114大气浇铸复合坯料径向
变形后分析205
612合金钢真空浇铸复合207
6121变形后界面宏观形貌207
6122变形后界面微观形貌207
6123变形后界面氧化物分析209
6124变形后坯料无损检测211
62固固复合界面愈合211
621固固复合热模拟研究211
6211固固复合热模拟可行性
研究211
6212固固复合热模拟试验研究216
622表面控制对结合性能的影响228
6221不同表面加工方式对界面
微观组织的影响228
6222不同表面加工方式对结合
性能的影响232
623真空度对结合性能的影响234
6231大气焊接复合效果234
6232真空封焊复合效果236
6233相同变形条件下真空度对界面
组织及氧化物的影响250
624压下量、变形温度对界面结合的
影响266
625界面氧化物高温演变284
6251高温保温界面氧化物形貌
演化284
6252高温保温界面氧化物成分
演化287
6253界面氧化物高温金相动态
观察与分析291
626界面定位结合性能评价297
6261界面定位流变分析297
6262界面定位性能评价设计298
6263界面定位性能常规评价302
6264反向变形结合性能评价306
627固固复合仿真模拟310
6271增材制坯固
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