关键词： 电弧增材   纵向磁场   电弧   熔滴过渡   数值模拟  

摘要： 基于熔化极气体保护焊的电弧增材制造技术具有沉积效率高、生产成本低和自动化程度高等优势,被广泛应用于金属零件的快速成型。传统电弧增材制造普遍存在成形质量差和精度不足的缺点,在电弧增材制造中施加外部纵向磁场可以改变电弧的热量分布和熔滴过渡过程,有利于提高增材质量和成形精度。目前外加纵向磁场的电弧增材制造技术的研究主要基于实验结果,理论研究还不足。为此,本文利用数值模拟的方法,开展外加纵向磁场电弧增材制造电弧特性及熔滴过渡行为研究,通过外场复合电弧增材制造的电弧热力特性以及熔滴过渡的研究,为实际外加磁场辅助电弧增材制造提供理论依据和工艺指导。 在对电弧增材过程中熔基层形貌不断发生变化的物理现象分析基础上,对熔基层形貌进行简化;考虑外加纵向磁场对增材电弧的影响,利用Fluent流体动力学分析软件,建立外加纵向磁场电弧增材制造电弧仿真模型。基于计算流体力学和电磁学理论,分析电弧等离子体的受力和热效应,结合UDS和UDF添加外加纵向磁场电弧增材模型的控制方程源项。 利用增材制造电弧仿真模型,对不同增材层数和外加纵向磁场强度电弧进行数值模拟。计算结果表明,随着层数的增加,电流密度在电弧阴极附近发散,电弧内部电流密度有所减小;电弧温度、速度和压强都略有减小;电弧等离子运动形式变为逆时针螺旋向下运动;随着磁场强度的增大,电弧最高温度变大,电弧等离子流速增大,电弧压力减小,电弧内部产生负压;随着磁场强度增大,开始阶段电弧热量分布更加集中,电弧加热效率升高,而增大至0.008T时,电弧阴极出现局部低温区域,热效率反而降低。 利用Fluent建立外加纵向磁场电弧增材二维轴对称熔滴过渡仿真模型,利用增材电弧的仿真计算结果,建立电弧压力回归方程,将电弧压力作为熔滴所受到的等离子流力,采用流体体积函数(Volume of Fluid,VOF)法追踪熔滴自由表面进行熔滴过渡仿真。外加纵向磁场熔滴过渡模拟表明,熔滴在外加磁场产生的周向洛伦兹力作用下发生旋转;随着纵向磁场强度的增大,熔滴所受的离心力加大,熔滴过渡频率增高;磁场强度0.006T为临界值,超过这个值,熔滴形状由椭球形变为长椭球形,容易形成飞溅。 外加纵向磁场电弧增材制造的电弧和熔滴研究,给出了外加磁场与电弧热物理特性及熔滴过渡之间的定性和定量关系,为提高电弧增材质量提供理论支撑。

关键词： 增材制造   316不锈钢   激光诱导电弧   多层多道   组织性能  

摘要： 增材制造作为一种新型的快速净成形技术,具有节约能源、绿色环保、效率高、成本低廉等独特的优势,我国已经将其纳入绿色智能化制造的核心技术之一。目前世界各国在该技术上投入了大量资源,目的是抢占先进制造业发展的制高点。增材制造已经成为工业4.0时代的关键技术,是驱动下一代工业革命发展的引擎。中国作为制造大国必须掌握住这项技术以使制造业再焕生机,引领我国工业走向世界之巅。在金属增材制造的填充材料中奥氏体不锈钢生产和使用范围最为广泛,其中316不锈钢凭借其良好的焊接性、优良的机械性能被应用在航空航天、汽车船舶、生物医学等各个领域。目前有关316奥氏体不锈钢增材制造的研究主要集中在单一热源、单道多层薄壁试件层面。但单一热源具有制造局限性,实际工业中也不可能仅仅制造薄壁试件,因此急需对多层多道厚壁试件及复合热源增材制造技术进行研究。本文利用TIG电弧及激光诱导TIG电弧增材出了316不锈钢多层多道厚壁试件,研究内容及结论如下:对于单TIG电弧增材,研究了采用平行往复、十字正交、插补堆积三种路径增材试件的表面宏观成形、显微组织、元素分布及性能等。结果表明采用平行往复及十字正交路径增材的试件表面更平坦。试件中部组织存在明显差异,平行往复试件树枝晶粗大发达,生长方向高度一致。十字正交试件树枝晶生长方向多,枝晶紊乱,层间过渡区域大。插补堆积试件二次枝晶不发达,组织细密。试件的维氏硬度自底板至顶部呈先减小后增大的趋势。平行往复试件纵向抗拉强度最高,插补堆积试件横向抗拉强度最高,十字正交试件力学性能表现出各向同性。试件底部Ni元素及Cr元素均分布在胞状奥氏体的晶界处。试件中部及顶部Ni元素主要聚集在奥氏体处,Cr元素则主要富集在铁素体处。对于激光诱导TIG电弧复合增材,采用与单TIG电弧增材相同的试验方法及检测手段,分析了试件的宏观成形、显微组织、元素分布、晶粒取向及力学性能等。并将试验结果与单TIG增材试验结果进行对比,讨论了加入激光后电弧形态、热输入及试件组织性能的变化。结果表明加入激光后电弧产生收缩效应,增材稳定性及效率提高,热输入减小。试件氧化程度降低,插补堆积试件表面更加平坦。各试件底部无铁素体生成,Ni、Cr元素均主要沿晶界分布。中部及顶部Ni元素偏聚在γ奥氏体处,Cr元素偏聚在δ铁素体处,顶部枝晶偏转现象削弱甚至消失。十字正交试件过渡区变窄,三种路径增材的试件组织均比单TIG增材试件组织细小,晶界主要呈小角度晶界分布。加入激光后试件的显微硬度及拉伸性能均得到不同程度的提升。

关键词： 脉冲GTA增材制造   复合传感   堆积层尺寸   闭环控制  

摘要： 脉冲钨极惰性气体保护电弧（Gastungstenarc，GTA）增材制造采用可控脉冲电流以降低堆积过程热输入，其热源参数可独立调节，无烟尘与飞溅，设备成本低，因而在高端金属零部件的中小批量柔性化制造方面具有良好的运用前景，但成形过程中的热积累、工艺参数波动以及前层堆积状况等因素严重降低了成形过程的稳定性与尺寸精度。为此本文针对脉冲GTA增材制造过程，提出以峰值弧压表征堆积层高度、熔池图像宽度表征堆积层宽度的实时传感策略，开发电弧与视觉复合传感系统，设计控制器并构建堆积层高度与宽度闭环控制系统，通过实时调节送丝速度、峰值电流完成堆积层尺寸的高精度闭环控制。　　搭建了电弧与视觉复合传感的脉冲GTA增材制造成形控制硬件平台，分别设计了以闭环霍尔电压传感器为核心的弧压传感系统和以CCD相机为核心的视觉传感系统。开发了基于C++语言的人机交互界面，实现了增材制造过程图像采集与处理、弧压采集与处理、试验参数处理、试验参数显示与调整、闭环控制和图像小窗口调整等功能的可视化操作。　　针对原始弧压信号高频低幅噪声特点，开发了基于自相关函数特性的局部均值分解（Empircalmodedecoposition，EMD）去噪新方法。利用相同弧长下，峰值与基值弧压变化曲线确定了堆积层高度变化信息可用峰值弧压有效表征，并建立了不同堆积层下峰值弧压-弧长关系模型。采集了脉冲电流作用下熔池连续变化图像，为避免峰值阶段强弧光对图像产生干扰，结合CCD相机最大采集频率确定了图像在基值阶段的采集时刻，开发了以改进型Canny算子为核心的熔池图像处理算法。基于电弧与视觉复合传感，利用峰值弧压-弧长关系模型，拟合了相机标定系数与峰值电流、峰值电压映射平面，完成了弧压辅助下视觉传感系统的实时标定。精度验证试验结果表明，弧压传感系统最大检测误差小于0.55mm，视觉传感系统最大检测误差小于0.04mm。　　确定了以送丝速度为输入、峰值弧压为输出的堆积层高度闭环控制系统，设计Fuzzy-PID控制器，在线调节送丝速度实现了堆积层高度的稳定性控制，薄壁件高度恒规范堆积与闭环控制试验表明，该系统控制精度优于0.6mm。进一步将堆积层高度闭环控制系统运用于具有拐点路径结构件的堆积制造过程，解决了拐点处高度异常凸起的技术难题。　　基于峰值电流与送丝速度阶跃试验，确定了以峰值电流为输入、熔池宽度特征值为输出的堆积层宽度闭环控制系统，设计参数自整定模糊控制器，在线调节峰值电流实现了堆积层宽度的均匀性控制。薄壁件宽度恒规范堆积与闭环控制试验表明，该系统控制精度优于0.5mm。

关键词： 建筑多向钢节点   电弧增材制造   药芯丝材   摆动工艺   组织转变   承载性能  

摘要： 随着经济与社会的发展,我国钢结构建筑向着大型化、复杂化和个性化发展,钢结构建筑由于具有结构强度高、自重轻和节能环保等优点得到广泛应用。建筑多向钢节点作为连接不同造型钢结构的关键构件,在钢结构建筑中起到举足轻重的作用。20Mn钢具有良好的强韧性和工艺性能,被广泛应用于多向钢节点的制造。20Mn钢建筑多向钢节点制造方法主要包括铸造和焊接两种,这两种方法制造的多向钢节点有时产生缺陷,使得钢结构建筑存在安全隐患。电弧增材制造技术是一种新兴的先进制造技术,它利用电弧产生的热量熔化金属丝材,再按照规划的路径层层堆积成形复杂金属构件。电弧增材制造技术具有效率高,成形金属构件力学性能优异等优点,能有效避免焊接和铸造钢节点的缺陷,是制造多向钢节点的有效方法。基于20Mn钢化学成分和力学性能,开发了可用于电弧增材制造20Mn钢建筑多向钢节点的药芯丝材。开发的药芯丝材在不同工艺规范与摆动条件下堆积金属两侧平直,表面平整,未出现裂纹、气孔等缺陷,具有良好的成形性;堆积过程中电流波动幅度不超过±3.5%,电压波动幅度不超过±4.0%,波动较小,电弧稳定,飞溅率低于2.5%;堆积金属显微组织为细晶铁素体和珠光体,其抗拉强度、延伸率和20℃冲击功沿堆积方向分别为512 MPa、25%和127 J,沿垂直于堆积方向分别为519 MPa、24%和134 J。根据摆动电弧增材制造温度场和热循环特征,摆动工艺堆积金属分为4个区域:凝固区、过热区、正火区和回火区。凝固区由液态金属直接凝固得到,凝固过程中,液态金属通过外延结晶形成柱状晶,块状铁素体和侧板条铁素体在奥氏体晶界处析出,针状铁素体以复合夹杂物为核心形核并呈放射性生长。凝固区在峰值温度大于1100℃热循环作用下转变为过热区,残留铁素体晶核、高密度位错场和铁素体感生形核机制共同促进铁素体形核,细化过热区组织。过热区在峰值温度Ac1～1100℃热循环作用下转变为正火区,尺寸较小的原奥氏体晶粒分解为等轴状细晶铁素体(FGF)和珠光体(P),并且在动态再结晶的作用下形成了细小再结晶晶粒(RG),正火区组织相较于过热区进一步细化。正火区在多次峰值温度小于Ac1热循环作用下转变为回火区,由于动态再结晶幅度提高,形成较多RG,同时复合夹杂物和纳米级碳化物阻碍晶粒长大,使得回火区组织相较于正火区更加细小。由20Mn钢药芯丝材堆积金属CCT曲线可知,0.1-10℃/s冷却速率范围内,堆积金属发生铁素体和珠光体相变,并且随着冷却速率增加,组织转变温度降低。以摆动工艺参数为输入量,堆积金属成形尺寸为输出量,建立了它们之间的3D响应模型。利用建立的3D响应模型对摆动电弧增材制造六向钢节点工艺参数进行了优化。根据六向钢节点结构特点,采用分区成形、平面切片以及摆动与偏置填充的策略制造,其分为直壁圆筒区和相贯区,相贯区包括两管相贯和三管相贯两种类型。直壁圆筒区采用优化的摆动工艺参数堆积,两管相贯与三管相贯区分别采用轮廓偏置路径与混合路径堆积。摆动电弧增材制造六向钢节点整体平均尺寸偏差为±1.30mm。利用有限元分析和台架试验测试电弧增材制造六向钢节点承载性能,结果表明,摆动电弧增材制造六向钢节点在实际工况下最大应力为36.7MPa,远小于其堆积金属屈服强度,始终处于弹性状态,具有较好的承载性能,能够满足实际使用要求。

关键词： 电弧增材制造   镍钛合金   原位合金化   力学性能   形状记忆效应  

摘要： NiTi形状记忆合金是应用最广泛的记忆合金,由于其特殊的形状记忆效应与超弹性而备受关注,其中TiNiNb成分的合金是记忆型航空管接头材料,已在多种机型的管接头中得到广泛应用。然而由于NiTi合金切削加工性能较差,用传统方法进行制造比较困难。而增材制造是一种近净成形的制造技术,可以直接生产零部件,避免了后续机加工的问题。因此本文采用双丝电弧增材制造(WAAM)的方法制造了NiTi合金,并在此基础上用Nb元素进行了原位合金化,通过控制Nb元素的含量得到了三种不同成分的NiTi Nb合金。研究了NiTi合金与NiTi Nb合金的组织特征,通过差示扫描量热法分析了合金的相变温度,通过电子万能试验机研究了合金的力学性能和形状记忆效应,并分析了Nb含量对合金组织与性能的影响。研究结果表明:通过调整Ni丝和Ti丝的相对送丝速度,成功地实现了NiTi形状记忆合金的制备。NiTi合金在室温下为B2单相,但是随着沉积高度的增加,B2相的组织形态由底部的细小等轴晶,中部的粗大柱状晶向顶部的粗大等轴晶转变。同时,NiTi合金的纵向压缩强度为1981MPa,延伸率为35.3%,相变温度滞后A-M为-6.4℃,6%和8%载荷下的形状记忆恢复率分别为98.3%和97.7%。在此基础上,使用Nb元素进行原位合金化得到NiTiNb、NiTiNb、NiTiNb三种成分的NiTi Nb合金墙体,三种成分的NiTi Nb合金微观组织均由B2母相与β-Nb相组成,除了B2相晶粒外,在晶界处有细小的β-Nb相析出,β-Nb相的数量随Nb含量的增加而增加,三种合金的纵向压缩强度与延伸率按Nb含量由低到高分别为2268Mpa、2214MPa、2206MPa,36.2%、38.3%、35.6%,相变温度滞后A-M分别为-15.0℃、30.9℃、35.3℃,三种合金在6%和8%载荷下的形状记忆恢复率分别为96.3%、94.9%、93.0%和95.5%、93.8%、90.8%。可见,随着Nb元素的增加,压缩性能基本不变,相变温度滞后显著增加,形状记忆恢复率略有减少。为减少WAAM过程中产生的脆性析出相,对NiTi合金与NiTiNb合金进行了固溶热处理与固溶+时效热处理,结果表明:NiTi合金进行固溶处理后脆性相固溶的同时晶粒增大,导致力学性能较差,形状记忆恢复率基本不变,而NiTiNb合金进行固溶处理后由于β-Nb软相粒子的存在,晶粒粗化并不明显,力学性能与形状记忆恢复率无明显变化。

关键词： AZ31镁合金   CMT   电弧增材制造   成形成性   温度场  

摘要： 镁合金作为目前最具应用潜力的轻质金属结构材料,具有高比强度和比刚度等优点,有助于实现工业领域的轻量化。镁合金制造具有对热输入过程敏感的特征,且塑性变形能力较差,传统铸锻技术进行镁合金制造存在诸多困难,无法满足工业领域对大尺寸、结构复杂镁合金构件的需求。电弧增材制造技术具有低成本、高效率等特点,采用具有低热输入特征的冷金属过渡(Cold Metal Transfer,简称CMT)焊接电弧有助于实现大尺寸镁合金构件的增材制造。因此,本文基于CMT焊接电弧并采用AZ31镁合金焊丝进行镁合金电弧增材制造技术的基础研究。进行单道堆焊实验,研究不同焊接参数下的镁合金CMT焊接性。结果表明,随着送丝速度由5 m/min增加到8 m/min,焊缝润湿性逐渐增加,晶粒尺寸逐渐增大。当送丝速度为5 m/min时,焊缝润湿性和界面结合较差,不适用于增材制造成形,而其他参数具有较为良好的成形特征和组织结构。开展单道多层成形实验,对镁合金CMT制造薄壁构件的宏观成形、组织结构和力学性能特征进行研究。结果表明,薄壁构件成形良好,其组织呈现明显的层状结构特征,沉积层组织主要由柱状晶、等轴晶和热影响区的粗晶组成。成形构件力学性能具有明显的各向异性,沉积方向和制造方向的抗拉强度和延伸率分别为225.7 MPa和28.3%、188.3 MPa和17.2%,力学性能与铸锻件相近。分析可知,热影响区的带状分布特征是造成性能各向异性的主要原因。研究不同工艺参数对镁合金CMT电弧成形薄壁构件的组织特征影响规律,结果表明,由于成形过程的热积累,送丝速度和层间冷却时间对构件不同高度沉积层中心和边缘区域的组织结构特征具有显著的影响。针对构件第30层,随着送丝速度由6 m/min增加到8 m/min,热影响区宽度由270μm增加到632μm,平均晶粒尺寸由92μm增加到239μm,柱状晶区宽度略有减小。随着层间冷却时间由30 s增加到120 s,热影响区的宽度和晶粒尺寸变化不明显,柱状晶区宽度由0μm增加至1200μm。分析可知,送丝速度对晶粒粗化程度影响较为明显,但对柱状晶区宽度影响不大;层间冷却时间对晶粒粗化程度影响不大,但对柱状晶区宽度影响较为明显。应用ABAQUS软件进行镁合金CMT电弧增材制造热过程有限元模拟分析,结果表明,不同工艺参数下成形构件不同位置的热循环过程差异是造成组织特征不同的主要原因。分析可知,送丝速度可以显著增加熔池峰值温度,使组织发生明显粗化,而对柱状晶形貌影响较小。延长层间冷却时间可以显著增加熔池凝固时的温度梯度,从而改变柱状晶形貌,而对组织粗化程度影响较小。综上所述,镁合金CMT电弧增材制造的热积累效应是造成成形构件不同区域组织结构特征差异化的根本原因。控制构件成形的热过程是提高构件质量的主要途径。

关键词： 电弧增材   TiC颗粒   柱状晶向等轴晶转变   动力学   强度-韧性协同提升  

摘要： 2219铝合金具有低密度、高热稳定性和耐腐蚀等优点,在航天飞行器结构减重及汽车轻量化等领域得到广泛应用。电弧增材制造(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)作为一种适合实现Al-Cu合金大型结构件快速制造的技术,被广泛应用于复杂结构件的快速制备领域。在2219铝合金WAAM过程中,高孔隙率、柱状晶和晶界偏析的形成导致沉积试样强度和韧性下降。本文从均匀化组织和抑制偏析的角度出发,提出借助低频振动改善熔池流动促进TiC颗粒添加的2219铝合金WAAM方法,以不同尺度TiC颗粒作用下的微观组织为研究对象,以提高性能为目标,深入研究了单一尺度和微-纳双尺度颗粒添加下的微观组织特征,并在此基础上开展了颗粒分布动力学、双尺度颗粒联合诱导θ''相析出机制和强韧化机理的研究。首先,针对沉积层表面涂覆TiC颗粒后熔滴过渡困难及熔池流动性差的问题,借助焊丝振动对熔池产生搅拌作用来改善熔池流动,消除了颗粒上浮现象,促进了颗粒在熔池中的弥散分布,实现了熔滴由大体积滴状过渡向连续液桥过渡的转变。对不同工艺参数和振源位置下沉积表面成形进行优化,以沉积试样孔隙率和晶粒细化程度为依据,确定适合TiC颗粒添加的增材工艺参数范围。结果表明,颗粒添加条件下焊接电流对沉积试样孔隙率和晶粒细化程度影响更加明显。焊接电流为110 A,沉积速度为200 mm/min,送丝速度为2.0 m/min,颗粒添加量为1.5wt.%时气孔缺陷被消除,晶粒得到明显细化。研究了TiC颗粒对沉积层微观组织和力学性能的影响。分别针对纳米、亚微米和微米颗粒在不同含量下对晶界偏析、第二相析出形态和强度的影响进行了深入剖析。发现了纳米TiC颗粒具有强的抑制晶界偏析效应,并且能够促进亚微米尺度晶胞产生,沉积试样韧性得到大幅度提升。微米TiC颗粒具有更强的细晶效果,晶粒内部弥散析出多尺度θ'相和θ''相,沉积试样强度达到400 MPa。结合微米颗粒的细晶效果和纳米颗粒促进亚微米晶胞形核效应,提出采用微-纳双尺度TiC颗粒添加解决沉积试样组织不均匀和强度-韧性低的问题。实验结果表明,双尺度TiC颗粒能够起到均匀化组织、抑制偏析、促进多尺度析出相弥散分布的效果。沉积试样的最大极限拉伸强度超过407.3 MPa,延伸率高达24.2%。分析了凝固过程中不同尺度TiC颗粒在固-液界面前沿的受力特征,建立了微、纳尺度TiC颗粒熔池迁移动力学模型,通过热循环曲线中得到的凝固时间结合平均晶粒尺寸获得了不同尺度颗粒添加后的固-液界面推移速度。分析结果表明,颗粒半径大于3.9μm及小于0.8μm时,颗粒更容易弥散分布在晶粒内部从而作为有效的形核质点。对比不同尺度TiC颗粒在沉积试样中的分布特征,对动力学模型的准确性和颗粒分布规律的正确性进行了验证。为了揭示微-纳双尺度颗粒的联合作用效果,进一步研究了与颗粒尺度相关的凝固热力学和晶粒细化机制。结果表明,微米尺度颗粒能够大幅度降低体系自由能,促进晶核在颗粒表面形核,使得晶粒得到细化。结合前述结论揭示了微-纳双尺度颗粒添加的熔池结晶过程。微米TiC颗粒周边低的形核自由能使得晶核在微米颗粒表面形核的同时在纳米颗粒表面形核,促使纳米多晶产生,低体系自由能和界面位错的产生为纳米θ''相的形核提供热力学-动力学保障。低的形核过冷结合多位点形核共同抑制晶界偏析,晶界θ相由自由结晶过程转变为在固相Al界面析出,晶界结构得到改善。最后,对单一尺度颗粒和双尺度颗粒添加沉积试样的强化机制进行分析。结果表明,晶粒细化对强度增量的贡献较小,强度增量的贡献的主要来源于纳米第二相的析出和纳米尺度颗粒弥散分布。结合微观组织特征对双尺度颗粒添加试样韧性改善机制进行分析,晶界厚度降低和结构转变改善了晶界韧性,析出相与基体、颗粒与基体良好的界面匹配度为载荷传递提供可靠路径,联合纳米多晶的形成共同促使沉积试样韧性得到提升。

关键词： 磁光成像   电弧增材   表面质量检测   缺陷分类   神经网络  

摘要： 电弧增材构件具有良好的力学性能,在机械制造领域具有较好的发展前景,无损检测技术可以有效地保障工件的使用性以及工业应用的安全性。目前对电弧增材构件表面质量的检测技术尚不成熟。本课题针对低碳钢电弧增材构件表面缺陷难以检测和识别的问题,提出采用结合磁光成像技术和模式识别方法,实现电弧增材构件表面缺陷检测和分类。根据电弧增材工艺和磁光成像检测技术,设计电弧增材构件表面质量磁光成像检测流程并搭建了整体试验系统,包括电弧增材构件制备实验系统、预磁化系统和磁光成像检测系统。采用电弧增材构件制备实现系统制备一批多种表面质量的待测工件。搭建了预磁化系统,设计磁轭结构尺寸并测量输出的磁场强度。搭建磁光成像系统,对磁光成像检测原理和光强与灰度值转换关系进行详细介绍,并采集电弧增材构件表面磁光图像。对无缺陷和有缺陷的磁光图像,总结出磁光成像图像灰度特征,并对图像效果进行对比分析。为了进一步提高磁光成像的图像质量,提出一种基于光强阈值的改进磁光成像方法。分析设置不同光强阈值时采集的图像中缺陷信息增强效果以及背景噪声的影响,设计自动计算最佳光强阈值的算法,保证采集的磁光图像无明显背景噪声且缺陷信息清晰。针对最佳光强阈值算法,对实际检测情况进行分类,并验证最佳光强阈值法在实际检测中的有效性。同时,采集四种典型电弧增材构件表面质量的剩磁磁光图像并采用图像增强方法进行处理,与最佳光强阈值法采集的磁光图像进行对比,验证最佳光强阈值法采集电弧增材构件磁光图像效果最佳。最后论文采用灰度共生矩阵提取磁光图像纹理特征值,构建BP神经网络模型和支持向量机模型,实现电弧增材构件表面质量的检测识别。同时建立卷积神经网络模型,将磁光图像直接输入模型实现自动化检测识别。采用混淆矩阵对三种模型预测结果进行统计,并计算相应的分类指标。试验预测结果证明所提方法可有效实现电弧增材构件表面缺陷检测和分类。

关键词： 铝基复合材料   电子束增材制造   电弧增材制造   TiB2颗粒   显微组织   力学性能  

摘要： 航空航天、国防军工等领域的飞速发展,对大型轻质高强复杂结构件的需求日益增加。电弧熔丝沉积增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM）具有成形效率高、材料利用率高和设备成本低等特点,特别适合大型复杂结构件的成形。铝合金具有密度低、耐腐蚀、塑性高等优点,非常适合采用电弧熔丝沉积技术来制备轻质高强的复杂结构件,以满足航空航天、国防军工等领域的需求。然而,目前铝合金的WAAM试样中存在组织不均匀、组织粗大和气孔等问题,对材料的性能产生了不利的影响。为解决铝合金WAAM试样中存在的问题,本文首先采用WAAM技术制备了Al-Cu合金构件,系统研究了Al-Cu合金WAAM打印件沿高度方向的组织演变。研究结果表明,由打印件底部到顶部,试样的平均晶粒尺寸为26.1～40.1μm,平均晶粒尺寸差异很大。此外,逐层沉积过程中产生了本征热处理,导致打印件沿高度方向产生局部时效和析出相的不均匀分布,进而导致了Al-Cu合金沉积态试样打印件底部的硬度和强度高于中部和顶部。为解决Al-Cu合金WAAM打印件组织不均匀的问题,本文对Al-Cu合金WAAM试样进行了热处理。研究表明,热处理后由打印件底部到顶部,试样的平均晶粒尺寸为37.2～44.3μm,平均晶粒尺寸差异小,组织不均匀的问题得到了解决。但是热处理后晶粒长大,粗大的晶粒不利于材料力学性能的提高。TiB2颗粒通过阻碍枝晶生长细化晶粒,还可以降低Al-Cu合金的热裂倾向。因此,本文采用WAAM技术制备了Ti B2/Al-Cu复合材料。研究结果表明,复合材料沉积态试样的平均晶粒尺寸为8.3μm,比铸态Ti B2/Al-Cu复合材料的平均晶粒尺寸（27.2μm）大幅度下降。但是,TiB2颗粒引入后增加了液态金属的粘度,阻碍气体排出,导致复合材料WAAM打印件中气孔的数量和尺寸大于WAAM制备的合金构件,严重影响打印件的力学性能。为控制甚至消除Ti B2/Al-Cu复合材料WAAM打印件中的气孔,本文采用真空丝打印技术（电子束熔丝沉积增材制造）制备了Ti B2/Al-Cu复合材料。研究结果表明,采用真空丝打印制备的复合材料致密度高达99.89%,比WAAM打印Ti B2/Al-Cu复合材料试样的致密度（98.91%）明显提高。其中,真空丝打印复合材料T6态试样的硬度为153.8 HV,水平方向的屈服强度和抗拉强度分别为429 MPa和451 MPa,比WAAM复合材料T6态试样的屈服强度和抗拉强度分别提高了124 MPa和108 MPa。

关键词： 电弧增材制造   低热输入电弧焊   双向辅助气体补偿   有效沉积率   异双丝高速焊  

摘要： 论文以316L奥氏体不锈钢和2209双相钢作为试验材料,采用CMT+P-MIG和CMT低热输入、双侧辅助补偿气体保护等多种工艺模式进行电弧沉积增材制造工艺实验,重点研究不同线能量热输入对不锈钢构件沿沉积建构方向微观组织演变及相关性能的影响规律和机理。提出利用连续宽度和连续偏心度曲线进行电弧增材沉积件成型形貌外观分析方法,采用有效沉积率(EDR)和单位功有效沉积率(EDRP)概念进行多种工艺条件下制件沉积效率的对比研究和分析;采用双丝工艺进行双相钢电弧增材制造功能梯度材料的工艺实验探索。论文的主要研究内容如下:(1)采用冷金属过渡+脉冲MIG焊(CMT+P)工艺,对316L不锈钢丝进行不同线能量单道多层沉积实验和不同低线能量有层间停留时间的优化实验。分析CMT+P工艺下316L不锈钢沉积件的组织演化机理及性能变化规律。结果表明:随线能量的增大,沉积件的强度降低,试样微区内的材料剥离和裂纹萌生倾向明显增大,恶化其显微组织并增加材料脆断风险。试样底部、中部和顶部区域在横截面中心线上的显微硬度沿沉积建构方向波动并呈先降低后升高的趋势。铁素体中Cr、Mo含量高于奥氏体,Ni含量低于奥氏体。Cr和Mo能够促进铁素体的形成,Ni则相反,凝固过程中,Mo、Cr等合金元素向液相线偏析,Ni向固相线偏析。过低线能量的连续沉积会造成沉积不良缺陷并严重影响成型件的外观,中间停留时间工艺的采用能降低沉积件总体热积累和层间温度,弱化层与层之间的相互影响程度,提升横截面边缘尺寸一致性及力学性能。(2)采用冷金属过渡(CMT)工艺分别制备单道连续和不同层间停留时间下沉积的316L直壁件。利用SEM和EDS研究沉积样不同区域的显微结构、元素分布及演变机理,提出连续偏心度方法研究电弧沉积件的成型性能,用电化学实验分析沉积件沿建构方向不同区域的耐蚀性变化。结果表明,沉积过程中不同区域合金呈奥氏体-铁素体(AF)方式凝固。溶质原子在不同区域的扩散程度的不同导致其SEM形貌存在明显差异。顶部区域奥氏体枝晶比底部和中部区域刻蚀得更深,晶界处的铁素体则变厚且明显高于奥氏体晶粒。连续沉积过程中的高温会促进氧化物的形成。沉积件中上部区域有大量金属间化合物析出相,促使其抗拉强度和显微硬度沿建构方向呈现先降低后升高的趋势。相对较低的位错密度和晶界数量可形成稳定的钝化膜,且电弧沉积壁中部的耐蚀性最好。顶部区域铬原子的大量消耗和的材料剥落导致该区域钝化膜的完整性最弱,耐蚀性最低。小于60s层间停留时间沉积件横截面的连续偏心度波动幅度均较小,而更长层间停留时间过程中工件变形会增大横向尺寸的累积偏差。(3)提出并设计一种双向辅助气体补偿新工艺方法,采用对比实验研究气体补偿射流在沉积过程中的作用机理及其对沉积件组织性能的影响规律。进行低、中、高电流条件和不同层间停留时间下2209双相钢的成型实验。结果表明:补偿气流强化对熔池的搅拌和快速过冷效果从而细化晶粒。保护气流的强烈冷却作用抑制凝固合金中Cr、Ni、Mo等耐腐蚀性元素的大量析出,提升了沉积件的点蚀电阻、耐蚀性和室温抗拉强度。DSS沉积件的底部区域由于极大的过冷度保留了合金元素的高固溶度,在摩擦磨损过程中产生的大量黏着物和析出物提高其耐磨性;中部区域耐磨性最低,材料大量剥落;电弧热源的消失和气体对流换热促使顶层区域耐磨性回升。双侧辅助射流气体提高熔池金属的润湿铺展能力并加快熔池冷却,使得热输入越高,试样偏心度值越小,壁体直立度越好,表明辅助气体补偿的形态纠偏能力。DSS沉积应该尽量避免超过60s的长时间层间停留,而采用20s的层间等待时间能获得较为优异的抗拉强度和延伸率的综合表现。(4)研究CMT和CMT+P两种工艺对2209双相钢成型性及其制件性能的影响机理,通过CMT模式的316L单双丝对比实验,从沉积效率等多方面证明了双丝沉积工艺的优势。采用优化的工艺参数进行具有一定轮廓尺寸不锈钢零件的成型。完成316L不锈钢和2209双相钢的异双丝同步沉积增材制造实验。高频率和高稳定性的熔滴过渡保证CMT模式低热量无飞溅的沉积过程并获得优于带有脉冲电流工艺的制件质量和沉积效率。双电弧对熔池的冲击和搅拌作用破碎熔池中柱状晶和枝晶并抑制其生长,促进非均匀形核。双丝沉积件中部水平H方向上和垂直V方向上抗拉强度的差距比单丝沉积件更小。电热集中度更低的双电弧降低了晶界区低熔点杂质的偏析,使其制件耐腐性优于单丝单电弧沉积件。由于2209双相钢的动力粘度在1457℃之前均低于316L奥氏体不锈钢,前者合金液更好的高温铺展性和流动性使其沉积成型性能明显优于后者。异双丝同步沉积增材实验结果表明,通过改变送丝量的配比能够直接控制合金的化学成分和显微组织形态,并且可以达到改变材料组织演变、力学性能和电化学腐蚀特性的功能。