电弧增材制造具有高效率、低成本、市场响应迅速的优势,适用于大众化普及,但其成形形貌与组织性能问题仍凾待进一步研究。本文以辙叉用贝氏体钢电弧增材制造为研究对象,深入的分析了贝氏体钢自由熔积工艺特点及热处理对其组织性能的影响,并在此基础上系统研究了微轧复合成形工艺细晶强化机理,为电弧增材制造工程化应用打下良好基础。针对电弧增材制造中的表面形貌问题,创新性从热、电、形貌系数三方面对单层单道焊缝形貌进行综合评价,并基于响应曲面法建立了辙叉用贝氏体钢自由熔积工艺参量与电弧电压、焊接电流、热输入、宽高比的响应曲面回归模型。在此基础上,采用多目标优化结合起弧端加速与层间温度控制策略,优选出了最佳自由熔积工艺。验证实验表明,采用此工艺能够得到令人满意的多层多道表面成形质量,加工余量小于1.5mm。为改善自由熔积强韧性,进一步研究了等温淬火及回火热处理对自由熔积组织及性能的影响。结果表明:随着等温淬火温度的升高,微观组织呈现下贝氏体向粒状贝氏体及无碳化物贝氏体转变,M含量减少,抗拉强度、延伸率、冲击韧性总体呈下降趋势,而M/A岛起到的弥散强化作用使得370℃时出现抗拉强度突然上升。随着等温时间的增加,贝氏体与残余A含量增加,M含量减少,延伸率与冲击韧性逐渐上升,抗拉强度降低;随着转变时间进一步增加,贝氏体大量形核且间距不断缩小,同时不断分割A晶粒,从而细化A的有效晶粒度,抗拉强度、延伸率与冲击韧性均逐渐上升。随着回火温度的升高,碳原子表现出偏聚、析出及聚集长大的规律;当回火温度为280℃时,贝氏体钢表现出很好的回火稳定性;350℃回火时,稳定碳化物析出及韧性相减少导致强韧性均下降;420℃回火时,脆性相碳化物聚集长大及可能出现的杂质元素偏聚使晶界弱化导致力学性能均降低,尤其冲击韧性急剧下降,出现回火脆性。采用前述优选自由熔积成形与后热处理工艺,结合特征分析及轨迹规划,完成了辙叉心轨整套成形工艺的制定,并成功制备表面形貌与性能良好的实物。为消除自由熔积性能上的各向异性,引入了随焊微轧复合成形的方法。结果表明,微轧复合未热处理条件下三向抗拉强度分别为1275MPa、1256MPa、1309MPa,表现出良好的各向同性;延伸率分别为17.4%、16.6%、17.7%,表现出良好的塑性;X向冲击韧性达到99J/cm2,为自由熔积退火态3倍以上,表现出良好的韧性。依据GBT6394-2002金属平均晶粒度测定法测得本工艺条件下平均晶粒度为11~12级。本文所用微轧复合成形方法具有变革性的成本优势,能够将传统轧钢所需的重型设备微缩于整体尺寸不超过200mm的微型轧制装置上,并实现多层多道成形件全区域均匀细晶强化,为金属零件增材制造在线控形控性提供了崭新的思路。