关键词： 电弧放电   激光熔覆   功能梯度阴极   铌覆层   烧蚀  

摘要： 功能梯度阴极基于表面强化层实现耐烧蚀性能和传导性能的解耦，能够有效延长阴极服役寿命。本研究围绕Nb/Cu功能梯度阴极，采取激光增材于Cu基体表面制备出Nb覆层，表征了Nb/Cu梯度阴极的微观组织、成分和物相结构，分析了硬度和热导率自覆层表面向内的变化规律。进一步地，对Nb/Cu功能梯度阴极的氩气氛围电弧放电和烧蚀行为进行了研究，高速滤光捕捉下，阴极放电表面出现多个阴极斑点团簇，烧损面形成密集烧蚀坑和溅射颗粒。Nb/Cu阴极氩气电弧烧蚀速率（1.61μg/C）相比无氧Cu阴极（2.18μg/C）降低26.1%，更耐电弧烧蚀。功能梯度阴极具备的优异耐电弧烧蚀性能，与Nb表层耐烧蚀性和Cu基体高传导性密切相关。Nb/Cu功能梯度阴极具备作为新型阴极应用的潜能。

关键词： 电弧增材制造   0Cr13Ni5Mo不锈钢   显微组织   力学性能  

摘要： 冲击式水轮机不锈钢水斗传统制造技术周期较长，工艺繁多且生产成本居高不下，一种新兴技术电弧增材制造（Wire arc additive manufacturing,WAAM）为其提供了一种新的思路。电弧增材制造有着沉积效率高、成本低及成形尺寸大等优势，在工件再制造修复和金属直接成形领域具有广阔的应用前景。采用基于CMT的电弧增材制造技术得到0Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢沉积件，通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和力学性能测试对其显微组织和性能进行研究。结果表明，电弧增材制造0Cr13Ni5Mo不锈钢沉积件各位置显微组织主要由无方向性的板条马氏体组成，还存在少量的高温铁素体（δ-Fe），不同位置马氏体板条的取向和大小都存在差异；不锈钢沉积件沿焊接方向不同位置都有着较高的屈服强度和抗拉强度，然而其延伸率存在一定差异，顶部和中部位置的延伸率分别为15%和16%，而底部位置的延伸率下降到11.5%，拉伸断口属于微孔聚集型的韧性断裂；沿焊接水平方向（X方向）和焊接垂直方向（Y方向）平均冲击吸收功分别为32.5 J和36.8 J，不同取向的冲击韧性存在差异，这表明电弧增材制造不锈钢沉积件在冲击韧性存在各向异性，冲击断口属于韧-脆混合断裂，韧窝的第二相颗粒为Mn-Si-Al系氧化物；沿沉积方向硬度曲线波动较大，但顶部、中部和下部位置的平均显微硬度值相差不大。

关键词： 增材制造   高强铝合金   成形质量   微观组织   显微硬度  

摘要： 激光电弧复合增材制造过程中成形质量控制及微观组织演变规律等较焊接过程更为复杂。为了明确扫描速度对激光电弧复合增材制造高强铝合金成形质量、微观组织以及显微硬度等的影响规律，以2024高强铝合金为研究对象，采用激光与冷金属过渡加脉冲（Cold metal transfer and plus,CMT-P）电弧复合增材制造技术制备了不同扫描速度下的薄壁构件。研究扫描速度对薄壁构件的成形质量、微观组织演变规律以及显微硬度的影响规律。研究结果表明，合理调节扫描速度可以有效提高薄壁构件的成形精度以及降低增材制造过程中的飞溅程度；所有试样均呈现周期性明暗分层结构，其晶粒结构沿沉积方向呈现梯度演变特征，底部区域为定向生长的柱状晶，顶部区域由粗大的柱状晶和等轴晶的混合结构组成；同时，不同扫描速度下的增材试样沿着增材方向从下到上的显微硬度走势基本相同，且增材试样稳定区域的显微硬度是基板硬度的80%～85%，其基本保持在90～115 HV0.98N。

关键词： 叠片式电弧加热器   压缩叠片   增材制造   射流试验   热效率  

摘要： 针对叠片式电弧加热器异质材料的热不匹配问题，研制了一种基于增材制造技术的新式压缩叠片，其基体结构采用不锈钢材料一体成型。通过传热分析与数值仿真研究，建立了一种压缩叠片冷却流场的简化传热模型，提出了传热结构优化方向与方法，确定了新式压缩叠片水冷流道的尺寸与布局。电弧加热射流试验结果表明：经优化设计和可靠性计算后的增材制造压缩叠片结构，可承担相应状态的电弧加热射流试验任务，壁面热流范围0～15.4 MW/m2，但其实际运行热效率略低于紫铜叠片，平均偏差为6.4%～9.2%。

关键词： 电弧增材制造   CMT   主动冷却   复合超声   奥氏体不锈钢  

摘要： 电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)具有材料利用率高沉积效率高、成形尺寸大和生产成本低等优点,奥氏体不锈钢综合性能优异,广泛应用于航空航天、船舶、石油化工,电弧增材制造奥氏体不锈钢具有广泛的使用前景。但奥氏体不锈钢导热性较差,增材制造过程中易产生较为严重的热积累,影响成形质量及力学性能。本文以SUS321奥氏体不锈钢为研究对象,基于调控熔池温度与改善凝固过程的学术思想,提出主动冷却与复合超声协同的双外场辅助电弧增材制造技术,系统研究了单一外场及双外场协同对CMT增材制造不锈钢组织与性能的影响规律,并揭示其相关机制,获得以下创新性研究成果: (1)模拟结果表明:与无辅助工艺相比,水冷辅助增加了熔池的传导散热,冷却速度显著提高,促进细小等轴晶形成。原位超声振动的声流效应有效促进等轴晶形成并细化晶粒,随凝固过程进行,促进等轴晶形成的作用减弱,细化晶粒的作用先降低后增加。水冷与原位超声振动协同作用促进细小等轴晶形成。 (2)各工作模式的单道单层沉积层均无气孔裂纹等宏观缺陷,CMT模式的熔深最浅,沉积层组织为奥氏体与少量蕾丝状、针状δ铁素体,CMT模式δ铁素体体积分数最高。薄壁组织与单道单层相比δ铁素体体积分数较少,晶粒较大;随热输入增加,晶粒粗化,屈服强度、抗拉强度与延伸率均降低;随层间温度升高,尺寸精度下降,屈服强度、抗拉强度与延伸率均降低,各向异性增加,层间温度升高造成的层间软化现象是薄壁各向异性增加的主要原因。热输入为200 J/mm、层间温度为50℃,薄壁尺寸精度与力学性能均最优。 (3)水冷辅助使薄壁尺寸精度提升了 27%,提升效果优于气体冷却辅助。水冷辅助细化晶粒,减少Cr、Ni与C的偏析,增加蕾丝状δ铁素体体积分数与位错密度。水冷辅助对强度无显著影响,延伸率降低17%。水冷辅助增加了由蕾丝状δ铁素体组成的δ铁素体团的体积分数,进而增加了拉伸过程中的低KAM值区,此外,水冷还细化了晶粒提高了临界孪晶应力,二者共同作用使拉伸过程中产生的孪晶减少,降低延伸率。水冷辅助作用距离增加,对熔池的影响降低,精度降低,组织粗化,屈服强度与抗拉强度均降低,延伸率升高,实施水冷辅助作用距离应控制在40 mm内。 (4)最佳原位超声振动振幅为80 μm,作用距离为15 mm;最佳超声冲击振幅为80 μm,作用时间为0.66 s。原位超声振动促进熔池向薄壁两侧发生不规则坍塌,降低薄壁精度。与无辅助工艺相比,原位超声振动通过空化效应与声流效应使样品获得均匀等轴晶,使屈服强度提高10%;层间超声冲击通过引入大量亚结构使样品屈服强度提高32%,层间超声冲击对屈服强度的影响大于原位超声振动。原位超声振动协同层间超声冲击的复合超声使屈服强度提高了 41%。 (5)提出了水冷与复合超声协同的双外场辅助CMT增材制造技术。双外场辅助薄壁的尺寸精度优于复合超声,与无外场相当。沉积过程中水冷显著增加熔池冷却速度,抑制声流效应,细化组织,同时空化效应破碎枝晶,使沉积层拥有良好精度的同时获得均匀细小等轴晶;层间超声冲击引入大量亚结构,进一步改善组织,提高强度。薄壁屈服强度为442 MPa,较传统铸态和普通CMT增材显著提高,接近SLM与LMD增材;延伸率保持在50%以上,与铸态及普通CMT增材相当,高于SLM与LMD增材,实现了高强度与高塑性,双外场同时改善了尺寸精度与力学性能。

关键词： Ti-6Al-4V钛合金   电弧增材制造   超高频脉冲电流   微观组织   力学性能  

摘要： Ti-6Al-4V钛合金因其比强度高、环境适应性强等优异性能在航空航天等领域具有较高的应用前景。通过常规电弧增材制造（WAAM）方法制造出的Ti-6Al-4V钛合金样品多呈现出粗大的柱状晶组织以及气孔等缺陷，造成力学性能降低。为解决以上问题，在常规WAAM工艺的基础上引入超音频脉冲电流，进行微观组织和力学性能的影响探究。研究结果表明：通过引入超音频脉冲电流可以改善Ti-6Al-4V初生β晶粒外延生长的现象；在20～30 kHz的脉冲频率范围内，Ti-6Al-4V钛合金的微观组织分布均匀，由细密的网篮组织组成，屈服强度和抗拉强度最高分别为890 MPa、998 MPa，较传统电弧增材分别提高了8%、6%，延伸率最低4.3%，最高12.3%，提高了约60%；但随着脉冲频率的升高，网篮组织的取向开始变得杂乱，且α板条开始粗化；通过施加超音频脉冲电流后有效消除了气孔等缺陷，延伸率有明显提高。

关键词： 铝合金   电弧增材制造   调控手段  

摘要： 铝合金应用领域广，电弧增材制造（WAAM）成形大型结构件快，使铝合金电弧增材制造技术取得了长足的进步.然而，使用WAAM工艺加工的铝合金零件易存在较多缺陷，成形质量也难以达到实际应用要求，常需要采用各种手段进行调控，以改善电弧增材制造铝合金的成形过程和组织性能.针对铝合金电弧增材制造，本文总结了国内外过去十年来的研究情况，包括高水平论文发表数量和引用情况以及工程化应用等.针对电弧增材制造铝合金中存在的主要问题及其形成机理，从单一调控手段和复合调控手段两个角度进行综述，重点论述了各调控手段的优势和局限性，并对未来需要突破的研究方向进行了展望.

关键词： 镁合金   冷金属过渡   熔池   焊缝成形   数值模拟  

摘要： 针对镁合金在冷金属过渡(CMT)电弧增材制造成形过程中熔池精度难于控制、结构件成形质量差等问题，建立了三维瞬态数值模型，研究了增材过程中的熔池流动及传热过程。引入周期性系数加入双椭圆热源中，得到了更加符合实际CMT焊接过程的热源模型，并利用连续表面力思想将其转化为体热源加载在相界面。预测了焊缝和熔池的形状和尺寸，并与试验结果进行了比较。进一步计算了同一焊接速度下不同焊接电流对焊缝成形的影响。结果表明：熔池内部主要受马兰戈尼力影响在熔池后方产生逆时针流动；将模拟结果与试验进行对比，焊接电流为129A时熔宽误差约为1.13%，余高误差约5.49%，熔深误差约5.03%，验证了模型的准确性；相同焊接速度下，随着焊接电流的增大，焊缝宽高比以及熔深均增加。