关键词： 电弧增材制造   不锈钢   圆管柱   几何缺陷   轴压试验  

摘要： 电弧增材制造（WAAM）可高效率、低成本地制造大尺寸金属结构件，是适用于建筑行业工程应用的金属3D打印工艺。通过标准试件的拉伸试验，获得WAAM不锈钢材料的基本力学性能；利用WAAM工艺制造7个不同长细比的圆管柱构件，通过三维激光扫描结合硅胶铸模的方法对构件进行几何测量，获得WAAM构件的基本几何尺寸和几何缺陷；对圆管柱进行两端铰支约束下的轴压加载试验，分析构件荷载-构件中部侧向挠度曲线、极限承载力和破坏模式、应变发展与不对称分布以及整体初始几何缺陷对承载力的影响；将试验结果与传统工艺制造圆管柱的轴压承载力以及国内外现行规范的承载力预测值进行了对比分析。结果表明，WAAM圆管柱相比传统构件具有相对更大的整体几何缺陷，轴压承载力总体上随着几何缺陷的增大而降低；WAAM圆管柱的轴压稳定承载力与传统构件大致相当，但当长细比较大时承载力略低于大部分传统构件；WAAM圆管柱构件可基本满足现行国内外不锈钢结构设计规范中的轴压稳定承载力要求。

关键词： 多电弧增材制造   高强钢   温度场与热循环   组织转变   组织调控  

摘要： 多电弧增材制造技术是实现大型高强钢构件高性能、高效率增材制造的重要新途径。模拟了多电弧增材制造直壁温度场，研究了堆积金属多次热循环下的组织特点；分析了3种不同水平间距时构件的组织性能，探究了多电弧增材制造组织调控机理。通过研究发现多电弧增材时堆积金属可分为凝固区、粗晶区、正火区与稳定区四个区域，随着多电弧枪水平间距的增加，堆积金属热循环曲线出现双高温峰特征，高温停留时间增加，平均冷却速度减慢。当水平间距为10 mm时，冷却速度最快，形成以马氏体和上贝氏体组成的组织，堆积金属强度最高韧性较差；当水平间距为30 mm，由于填充电弧的复热作用，冷却速度有所降低，形成以铁素体和板条状无碳化物贝氏体组织的组织，强度下降但是韧性有所上升；当水平间距为50 mm，堆积金属冷却速度最慢，高温停留时间最长，奥氏体晶粒粗化，形成尺寸较大的组织，其强度和韧性均有所下降。因此通过控制电弧枪水平间距实现高强钢堆积金属微观组织控制。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   多物理场耦合   传热流动  

摘要： 深入理解工艺参数条件与复杂物理现象及成形质量之间的内在影响机理是获得结构合理、性能可靠、无缺陷的高质量电弧增材构件的重要前提。本研究综合考虑电弧传热、熔滴过渡、金属蒸发、熔池自由表面变形、熔池金属对流、金属熔化与凝固及焊枪与基板相对移动等多物理过程，构建了铝合金电弧增材制造电弧-熔滴-熔池一体化三维瞬态数值模型。模型中，采用流体体积分数法追踪气液自由界面，基于“局部热力学平衡-扩散近似”模型考虑鞘层复杂热效应，采用移动参考系处理焊枪与基板的相对运动，并从熔滴过渡及熔覆层形貌两方面验证了模型的准确性。基于建立的模型，模拟分析了焊接电流和熔覆速度对铝合金电弧增材单道成形形貌演变、液态金属传热和流体动力学行为的影响机理。结果表明：随着焊接电流的增加，熔覆层截面形貌由圆弧状向扁平状转变，熔池金属温度梯度和流速升高，但流动类型变化较小；随着熔覆速度的增加，熔覆层截面形貌由扁平状向圆弧状转变，熔池深度和内部金属温度梯度降低，同时液态金属整体向熔池后方流动的流动行为转变加快。

关键词： AZ91 magnesium alloy   droplet transfer   microstructure   mechanical properties   cold arc process  

摘要： Thin walls of an AZ91 magnesium alloy with fine equiaxed grains were fabricated via cold arc-based wire arc additive manufacturing(CA-WAAM),and the droplet transfer behaviours,microstructures,and mechanical properties were *** results showed that the cold arc process reduced splashing at the moment of liquid bridge breakage and effectively shortened the droplet transfer *** microstructures of the deposited samples exhibited layered characteristics with alternating distributions of coarse and fine *** layer-by-layer deposition,the β-phase precipitated and grew preferentially along grain boundaries,while the fineη-Al_(8)Mn_(5)phase was dispersed in the α-Mg *** mechanical properties of the CA-WAAM deposited sample showed isotropic *** ultimate tensile strength and elongation in the building direction(BD)were 282.7 MPa and 14.2%,*** microhardness values of the deposited parts were relatively uniform,with an average value of HV 69.6.

关键词： 熔丝电弧增材制造   IN718高温合金   冷金属过渡   显微组织   力学性能  

摘要： 熔丝电弧增材制造技术(Wire arc additive manufacturing,WAAM)凭借着低成本和高效率成为了一种具有潜力的增材制造方式。然而由于增材过程中为了避免热量累积需要在每一层材料沉积后进行冷却,这不仅降低了增材的效率,高温也会影响材料本身和样品的成形。本试验采用冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer,CMT)技术进行IN718镍基高温合金薄墙试样的制备。研究不同冷却工艺(常规空冷和辅助水冷)对制备样品的显微组织与力学性能的影响。结果表明,采用辅助水冷制备IN718合金不仅具有更高的增材效率,并且凭借着稳定且快速的散热,使其成形质量好于常规的空冷。由于辅助水冷具有较高的冷却速度和较低的样品温度,抑制其内部的Laves相的生长,使合金内部析出细小的Laves相,而空冷由于散热条件差,高温导致Laves析出并相长大。这导致水冷试样的塑性优于空冷试样。同时由于Laves相产生的第二相强化,水冷试样的强度更高,但伴随着其塑性的降低。本研究不仅能为电弧增材制造IN718合金提高增材效率,且提升了材料的综合力学性能,为后续高效高质量增材制造IN718零部件提供重要指导意义。

关键词： 电弧增材   层间温度   不锈钢   显微组织   力学性能  

摘要： 为了研究不同层间温度下增材制造结构的组织性能,以ER307不锈钢焊丝为填充材料,通过GMA电弧增材技术堆焊了双道多层薄壁墙结构,采用金相显微镜、显微硬度仪和扫描电镜对比研究了不同层间温度下电弧增材结构的显微组织及力学性能。结果表明,150℃和220℃两种层间温度下,试样的显微组织均由γ-Fe和δ铁素体组成,平衡凝固区显微组织纵向由底到顶分别为柱状晶、枝晶和等轴晶,其中等轴晶区域显微硬度较高;试样平均抗拉强度均大于600 MPa,纵向综合力学性能略高于横向,未出现明显各向异性。随着层间温度的降低,平衡凝固区底部区域柱状晶和顶部区域等轴晶尺寸逐渐减小,中部区域枝晶偏聚现象得到改善,相邻热影响区受枝晶连接且取向差异降低,显微硬度均匀性得到改善,纵向塑性、韧性有所提升,其中层间温度为150℃时,构件的屈服强度和延伸率较层间温度为220℃时分别提高29 MPa和4.3%。

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   高强钢   焊道形貌   拟合函数  

摘要： 通过试验系统性研究了冷金属过渡电弧增材制造时焊接速度与送丝速度对高强钢焊道几何轮廓的影响规律,利用光学显微镜表征不同工艺条件时焊道几何尺寸及截面轮廓特征。建立焊接速度、送丝速度与焊道轮廓间的关联关系,确定合适的工艺参数窗口。基于MATLAB软件平台编写包含图像处理、轮廓提取与曲线拟合等功能在内的成套程序,将焊道轮廓测量结果与抛物线、椭圆、圆与余弦函数等拟合模型进行比较。结果表明,相比焊接速度,送丝速度对焊道轮廓的影响更大。随着送丝速度的增加,焊道轮廓由窄高状变为扁平状。抛物线对于窄高状焊道拟合效果最佳,而当焊道截面呈扁平状时,椭圆模型与试验数据吻合程度最高,为后续电弧增材制造部件控形提供支持。

关键词： 马氏体时效钢   超声冲击   电弧增材制造   微观组织   力学性能  

摘要： 针对电弧增材制造马氏体时效钢存在粗大树枝晶微观特征导致较差力学性能的现象,采用超声冲击辅助电弧增材制造18Ni-350马氏体钢直壁体,研究超声冲击对微观组织、力学性能的影响。结果表明,超声冲击可以抑制粗大树枝晶形成,改变晶粒生长形态,细化晶粒。相比于直接沉积试样,超声冲击辅助试样中奥氏体的含量几乎不变,但其尺寸明显减小并更均匀。除此之外,直接沉积试样观察到Ni3Ti的析出相,而超声冲击试样中未观察到析出相。经过固溶时效热处理后,超声冲击件的微观组织产生再结晶现象,其横向、纵向抗拉强度分别达到2079.5 MPa和2109.5 MPa,极限伸长率达到6.95%。超声冲击试样的力学性能要优于直接沉积件,超声冲击对时效硬化响应效果更为显著。

关键词： 电弧增材制造   层间冷却   研究进展   近浸式主动冷却  

摘要： 电弧增材制造作为一种快速、灵活、高效的制造技术,广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。然而,由于加工过程中产生的高温对构件质量和性能造成不利影响,层间冷却技术成为解决这一问题的有效途径之一。对电弧增材制造中层间冷却技术的研究现状进行了综述。首先,介绍了电弧增材制造技术的基本原理和工艺特点,重点阐述了加工过程中产生的热应力、热裂纹等问题。其次,综述了目前常见的层间冷却技术,包括气体冷却、液体冷却和固体冷却等,对每种技术的原理、优缺点以及应用范围进行了分析和比较。最后,指出了当前研究中存在的不足之处,并展望了未来电弧增材制造层间冷却技术的发展方向。随着材料科学、传热学等领域的不断进步,层间冷却技术将更加智能化、高效化,为电弧增材制造的应用提供更广阔的空间。

关键词： 电弧增材制造   机器学习   多目标优化   2219铝合金  

摘要： 在电弧增材制造中,工艺参数之间存在复杂相互作用,难以寻找最优参数组合以获得最佳的成形质量与预期的几何结构。为了加速工艺参数优化过程,在3因素3水平全因素实验的基础上,明确了电流、送丝速度和扫描速度对熔道熔宽、熔高和稀释率的影响规律,建立了神经网络、支持向量机和高斯回归分析模型来预测熔宽、熔高和稀释率。对比分析表明,高斯过程回归模型对熔宽的预测性能最好,神经网络模型对熔高的预测性能最好,支持向量回归对稀释率的预测性能最好。基于这3种机器学习模型,采用多目标遗传算法(NSGA-II),实现了以熔宽和熔高最大、稀释率最小为目标的电弧增材制造多目标优化,最后对优化结果进行了实验验证。