为解决在成形难变形锻件时,由于持续高温高压作用“夹心层”锻模表层产生的微裂纹问题,课题组继而提出了“拳头式”锻模设计制造新方法,该方法将高强高硬度能起支撑作用的材料作为锻模“骨头层”,再在其上增材高温力学性能良好的材料作为“皮肤层”。为了“拳头式”锻模得到实际应用,本文采用实验和模拟相结合的方法从电弧增材制造工艺入手,主要开展了提高“皮肤层”-“骨头层”异种金属结合面性能和控制锻模表面横向扩展裂纹两方面的研究。采用Marc有限元软件建立了“皮肤层”单道多层增材数值模拟模型,研究了不同焊接热源功率（4000-6000W）及焊接速度（8-15mm/s）对温度场和应力场分布的影响。结果表明,当焊接速度一定时,随着焊接热源功率的增大（或者是当焊接热源功率一定时,随着焊接速度的减小）,焊缝温度升高,熔池变大,一定程度上可促进“皮肤层”-“骨头层”形成可靠的冶金结合,但结合面附近金属高温停留时间增长、冷却速度下降,这又易造成晶粒粗大从而降低结合面性能;同时结合面的纵向残余应力呈增大趋势,而横向残余应力呈降低趋势。因此,综合分析,在进行“皮肤层”增材制造时,采用焊接热源P=5000W,焊接速度V=10-12mm/s可获得较好的结合面综合力学性能。采用灰色田口法,以“皮肤层”-“骨头层”结合面高温抗拉强度和硬度作为多响应参数,对焊接电压、送丝速度、焊接速度进行了优化。优化结果表明,当焊接电压=26V,送丝速度=9000mm/min,焊接速度=500mm/min时有着更大的信噪比值,为所需的最优参数组。与初始最优组对比,灰色田口法最优参数组的灰色关联度提高了42%,其中抗拉强度提高了5MPa,硬度提高了32HV,因此一定程度上提高了结合面的综合力学性能。同时研究了焊接速度对结合面显微组织及力学性能的影响。结果表明,焊接速度较低时铁基高温合金JX03中有较多残余奥氏体;焊接速度较高时镍基高温合金ERNi Cr-3中有较细的柱状晶结构。焊接速度较低时JX03的显微硬度略低,但ERNi Cr-3的显微硬度较高,且抗拉强度较高。再次采用Marc有限元软件建立了“皮肤层”和“骨头层”多道多层增材数值模拟模型,研究了“逐道同向/交错”、“逐层同向/交错”四种路径对焊接应力场和残余变形的影响。结果表明,采用“逐层交错”增材路径更有利于减小结合面附近残余应力值及整体残余变形。此外,还对“平板型”、“凹凸Ⅰ/Ⅱ型”结合面结构模型的焊接应力场和变形进行了对比研究。结果表明,通过“凹凸”的连接方式将部分结合面下置,可在一定程度上减小结合面附近的焊接残余应力和整体残余变形,从而更易于得到成型质量更优、残余应力更小的锻模。为了探究锻模表面层内横向扩展裂纹的形成,制备了JX07铁基材料的层内平行路径增材试样并进行高温拉伸试验。结果表明,同层内沿着焊缝方向的抗拉强度优于垂直焊缝方向,因此锻模表面扩展裂纹一定程度上更易在层内横向焊缝交界处产生。基于此,设计制备了竖直焊缝与横向焊缝交错的层内十字增材路径试样,结果表明,其竖直交界试样的抗拉强度介于沿着焊缝与垂直焊缝试样之间;十字增材路径整体延伸率与平行路径相比有所提高。因此,在同层内采用十字路径增材加工,不仅可以利用力学性能更优的整道竖直焊缝去阻碍横向焊缝交界处裂纹在层内的进一步扩展,同时还能提高整体的延伸率,从而在一定程度上减小锻模表面横向扩展裂纹的长度和数量,减缓锻模失效速度。