关键词： 电弧增材制造   高熵合金   热处理   微观组织   力学性能  

摘要： 高熵合金全新的概念在其诞生之时就引起了广泛的关注。高熵合金通常包含5种及以上的主要元素,并且每种元素的含量在5%到35%之间。高熵合金其独特的成分组成使其通过改变组成合金的元素和比例就能使合金拥有高强度、高硬度、耐腐蚀性以及出色的高温和低温力学性能。高熵合金最常用的制备方式为铸造。但由于成分偏析等问题制造大块合金难度大,后期加工困难,制约了高熵合金的应用。熔丝电弧增材制造(WAAM)使用丝材作为填充材料,拥有沉积效率高、原料利用率高、可制造大尺寸零件、设备成本低等优点,适合于高熵合金的制造。本试验开创性的使用一种组合绞丝(CCW)进行电弧增材制造,制备了非等摩尔Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金。系统研究了 CCW-AAM的工艺参数对制造的高熵合金成型的影响,为CCW-AAM高熵合金制造奠定基础,并为高熵合金的增材制造提供了新的思路。此外研究了热处理温度对该合金组织和机械性能的影响。主要结论如下:(1)通过改变送丝速度和焊枪运行速度来研究CCW-AAM成型的工艺窗口和单道焊缝的成型规律。随着送丝速度的提高,焊缝的宽度逐渐增加,高度基本保持不变,横截面积增加;随着焊枪运行速度的增加,焊缝的宽度、高度和横截面积都减小。最优工艺区间为送丝速度为5.5 m/min,焊枪运行速度为8-12 mm/s。在此区间,焊缝与基体连接紧密,焊缝成形较好且表面质量最佳。(2)研究了热量输入(通过改变焊枪运行速度)对非等摩尔Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金组织性能上的影响。通过试验,此合金由BCC和FCC双相组成,分别为67.33%和32.67%。随着热量输入越少,合金试样的晶粒尺寸越小(约10 μm),且远小于熔铸试样(约30 μm)。此外随着热量输入越少,高熵合金的机械性能越好。当焊枪运行速度为***/s时屈服强度为816 MPa,极限压缩强度为2835 MPa和塑性应变率为41.79%。相较于熔铸试样,电弧增材制造的试样的极限压缩强度,塑性应变率分别提升了 4.1%和11.7%。(3)研究了热处理温度对非等摩尔Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金组织及其性能的影响。该合金经过600℃热处理后,在BCC相基体中析出富Cr的σ相,使合金硬度提高24.5%,屈服强度提高20%,而极限压缩强度和塑性应变率降低。经过800℃热处理后,BCC基体中σ相的长大,使析出强化效果减弱。此外,FCC基体中析出棒状BCC相,产生析出强化,但削弱了固溶强化。力学性能优于沉积态样品。该热处理工艺下得到的合金性能最好。经过1000℃热处理后,σ相重新溶解在BCC相中,但在晶界处仍然残留未充分溶解的σ相。此外,在FCC基体中的棒状BCC相长大,进一步削弱了 FCC相的固溶强化效果。在此温度下可以很好的软化非等摩尔Al-Co-Cr-Fe-Ni高熵合金,使其具有良好的塑性。

关键词： 电弧增材制造   BP神经网络   分层切片算法   路径规划   模具修复  

摘要： 为了解决人工堆焊修复模具时,效率低、成形尺寸控制难、工作环境差以及组织性能稳定性差等问题,提出开发一个面向模具修复的电弧增材制造工艺及路径软件,有利于促进模具修复与电弧增材制造自动化共同发展,具有广阔的应用前景。但国内电弧增材制造技术由于起步较晚,与国外先进水平存在着较大差距,各个方面的领域有待突破。本文基于松下机器人弧焊系统,对电弧增材工艺参数与焊缝形状之间关系、STL模型分层切片算法以及路径规划等方面展开了研究,具体的研究工作如下:(1)针对能够对电弧增材模具修复效率和质量产生较大影响的电弧增材工艺参数与焊缝形状之间的对应关系,首先,构建焊缝BP神经网络模型,然后,选择直径为1.0mm的KMS-H13焊丝进行单层单道焊缝电弧增材制造试验并做好记录,确定电弧增材工艺参数的取值范围,紧接着,获取总的样本数据并将其对焊缝BP神经网络进行训练,最后基于Python平台编写一个可实现电弧增材工艺参数与焊缝形状互预测的软件,通过对该预测模型进行有效性分析和误差分析,发现该预测模型是可靠和有效的,有利于提高成形尺寸精度控制。(2)针对常用的STL模型分层切片算法需要耗费大量时间和空间进行构件拓扑关系、分组等前期处理和由于STL模型结构特点导致分层切片后得到的截面轮廓精度不高的问题,首先,分析了常见STL模型分层切片算法的不足之处,提出了一种由切平面的Z轴的值来快速有效地判断并求解出空间三角形与切平面的交点,再根据STL模型的共享点法则,获得封闭状态的截面轮廓点序列的基于增材方向排序分层切片算法,其次,引入了插值拟合算法来提高截面轮廓的精度,然后,通过格林公式推导出可判断截面轮廓内、外轮廓的一般公式,为后续路径规划实现自主控制内、外轮廓偏移方向功能做好准备,最后,基于Python平台编写了分层切片软件。(3)针对模具一般具有内腔的结构特点和对表面成形精度的高要求,首先,通过对绪论中总结的几种常见单一填充路径从成形效率、精度以及适用结构类型等方面进行对比分析,其次,在不违背电弧增材制造技术基本焊接工艺原则的前提下,提出了一种在内、外轮廓处采用可实现自主控制加工余量和偏移方向,且表面成形精度高的轮廓偏置填充算法,在内部采用在遇到内腔时可实现自动根据设定条件避免频繁跨越内腔功能,且具有高效率的分区往复直线填充算法的复合填充算法,最后,基于Python平台编写了路径规划软件。

关键词： 增材制造   旁路耦合双丝间接电弧焊   熔滴过渡   晶间腐蚀   慢应变速率应力腐蚀   断口形貌  

摘要： 双丝间接电弧焊是一种新型的焊接工艺,具有熔覆效率高、对母材热输入低、工件变形小的特点,这些优势使其具有了应用于增材制造的潜力。本文探讨了旁路耦合双丝间接电弧在电弧增材制造中的应用,并与传统MIG工艺做了对比。首先研究了焊接工艺参数对熔滴过渡行为和电弧形态的影响,发现送丝速度直接影响熔滴过渡,随正极焊丝送丝速度增加,焊接总电流增加,正极焊丝由滴状过渡向射滴过渡转变,而阴极焊丝则以大滴过渡为主;正极焊丝与负极焊丝形成的熔滴呈现一定夹角,负极送丝速度的增加可以增大双丝间接电弧电流,增加焊丝熔化量。旁路耦合的双丝间接电弧系统由双丝间接电弧和焊丝工件之间的直接电弧组成,依赖于正负极送丝速度的匹配,大部分时间两个电弧交替燃烧,也存在同时燃烧的现象。焊接总电流由正极焊丝送丝速度决定,负极送丝速度影响间接电弧电流与直接电弧电流的分配比例。在相同焊接总电流条件下,利用旁路耦合双丝间接电弧作为热源进行增材制造与传统MIG增材制造相比,可提高增材制造效率,并显著降低对基板的热输入及变形。随着负极送丝速度增加,增材制造效率提高更加突显。用镍铬18-8不锈钢焊丝制造的增材制造产品的耐腐蚀性能的研究结果显示:①双丝间接电弧增材制造过程中的工艺稳定性随焊接电流增大而增强。②双丝间接电弧焊增材制造产品的耐蚀性随着负极送丝速度增强。采用相同的总焊接电流条件下,旁路耦合双丝间接电弧焊增材制造与传统的MIG焊电弧增材制造相比,采用双丝间接电弧热源的增材制造产品不但具有更高的制造效率,更具有更好的耐晶间腐蚀性能及耐点蚀性能。双丝间接电弧焊增材制造产品与MIG增材制造产品力学性能研究结果显示:①通过MIG增材制造方法和旁路耦合双丝间接电弧焊增材制造方法获得的增材制造产品,抗拉强度相差不大,塑性与强度等力学性能基本一致。②慢应变速率应力腐蚀结果显示:旁路耦合双丝间接电弧焊制造的镍铬18-8产品在腐蚀性环境中强度远超出MIG增材制造增材制造产品;两种增材制造方法获得的25-20产品的慢应变速率应力腐蚀性能基本一致。两种增材制造方法制备出的产品的断口形貌为韧窝状,其断裂方式为韧性断裂。

关键词： 电弧增材制造   路径规划算法   工艺参数匹配   变宽度   响应曲面  

摘要： 传统路径规划算法和工艺参数匹配通常采用等距偏移和恒定工艺参数来进行金属零件的熔敷,这种方法在一定程度上限制了WAAM在截面形状具有变宽度特征金属零件上的增材制造能力。为了解决这一问题,本文以截面形状具有变宽度特征的凸轮结构为验证件,提出了基于直骨架提取的变宽度路径规划算法和基于响应曲面法的工艺参数匹配策略。建立电弧增材制造试验平台,包括:MOTOMAN弧焊机器人、松下YD-500FR熔敷电源和软件控制系统。在该平台上,采用全面试验法,进行工艺参数与熔敷成形尺寸之间的单熔敷道基础实验,获得125组样本数据。建立了以行走速度(V)、熔敷电流(I)、熔敷电压(U)为输入参数,以熔宽(W)和熔高(H)为输出参数的BP神经网络正向模型。使用验证集对其预测能力进行验证,结果表明:该正向模型具有非常高的预测精度,熔宽R值为0.993,熔高R值为0.983。在实际熔敷过程中,需要根据已规划好的熔敷道成形尺寸预测合适的工艺参数,因此,利用神经网络模型逆向预测建立了以熔宽和熔高为输入,工艺参数为输出的熔敷尺寸—工艺参数数据库。为研究传统路径规划算法熔敷凸轮结构时存在的不足,以CGAL计算几何库为算法内核,编写了平行直线路径规划算法、轮廓偏置路径规划算法、复合路径规划算法,经熔敷后分析可得:传统算法在变宽度零件上会出现阶梯效应、轮廓偏置自相交、沿中轴处无法熔敷而出现孔洞的现象、熔敷效率低下。为此,提出了基于直骨架提取的变宽度路径规划算法,通过直骨架提取、半径函数划分,最终生成路径轨迹,结果表明变宽度路径规划算法生成的路径轨迹能够很好的适应具有变宽度特征的几何图形。为了解决变宽度路径下工艺参数匹配问题,以高度不变为约束条件,提出了基于响应曲面法的工艺参数匹配策略,旨在通过调整行走速度和熔敷电流来实现熔宽的连续变化。首先,以中心组合设计(central composite design,CCD)为基础,建立以工艺参数为输入变量,以熔宽和熔高为响应量的响应曲面方程,经统计分析可得:I、V、U、I和V对熔敷尺寸具有显著影响且P值均小于0.05。然后,引入工艺参数敏感度分析法,探讨了熔敷工艺参数微小变化对熔敷道尺寸变化的影响程度。结合响应曲面和等高线图,对行走速度和熔敷电流进行耦合分析,发现区域I(随W降低,I、V同时增大)和区域III(随W降低,I、V同时减小)对应的调整方法具有可行性。其次,结合Design-Expert响应优化器,提出工艺参数初始化及连续优化,通过限定熔宽、熔高及工艺参数范围,求解满足条件的行走速度和熔敷电流组合。最终,使用提出的变宽度路径工艺参数匹配策略进行单道多层变宽度验证试验,结果表明:使用区域I对应调整方法的熔敷道成形尺寸从5.5mm变化至8mm,熔敷电流从165A增大至196A,行走速度从5.0mm/s增大至10.9mm/s,而熔高平均误差率为3%;使用区域III对应调整方法的熔敷道成形尺寸从5.0mm变化至7.5mm,熔敷电流从165A降低至100A,行走速度从5.0mm/s降低至3.5mm/s,而熔高平均误差率为1.9%,均在误差要求范围内,因此提出的工艺参数匹配策略能够在熔高不变的约束下,给出最优的行走速度和熔敷电流组合,实现熔宽连续变化。为进一步验证变宽度路径规划算法和工艺参数匹配策略,在平板上进行多道多层凸轮堆敷试验,共计堆敷8层,高20mm。使用3D扫描仪对成形件表面扫描,经最佳拟合分析及误差分析,由于缺乏支撑力和焊接飞溅的问题,内外轮廓边界处误差可达2～3mm,而轮廓内部区域的误差在1mm左右。通过对凸轮表面作截面A-A、B-B和C-C,可以看出凸轮成形件表明精度良好,验证了变宽度路径规划算法和工艺参数匹配策略在截面具有变宽度特征金属零件上增材制造的有效性。

关键词： 冷金属过渡技术   工艺参数   宏观形貌   微观组织   显微硬度   抗拉强度  

摘要： 铜合金零件工作过程中受摩擦磨损、海水腐蚀等作用,尺寸出现缺失而失效,如果处理不当会污染环境,同时造成资源的巨大浪费。为提高材料利用率,实现对受损黄铜合金零件的再制造,采用CMT技术在C35300黄铜表面制备了SG-Cu Al8Ni6镍铝青铜合金熔覆层。同时为寻求CMT增材制造最优工艺参数,获得综合性能优良的修复层,本文研究了不同工艺参数对单层单道熔覆层宏观形貌、微观组织及硬度的影响,同时研究了层间温度对多层单道直壁墙尺寸精度及微观组织、硬度、拉伸性能、耐腐蚀性能的影响,得到了如下结论:(1)实验结果表明,CMT电弧增材单层单道镍铝青铜熔覆层的宏观尺寸与热输入息息相关,而热输入的大小受送丝速度、焊接速度、焊丝倾斜角度工艺参数的影响。焊道成形过程中,送丝速度和焊丝倾斜角度与热输入值呈正相关,焊接速度与热输入值呈负相关;随热输入的增加,焊道表面平整性提高,熔宽、熔深尺寸增加,余高尺寸减小,在送丝速度9.0 m·min,焊接速度6.0 mm·s时,焊道表面平整度最高,超过这两个参数值时表面质量变差。。(2)不同工艺参数下CMT电弧增材镍铝青铜熔覆层均与基体发生了冶金结合,室温下熔覆层内部组织均是由基体α-Cu、残余β相(马氏体相)、Pb相和K、K、K、K相组成,随远离基体,β相的含量先增大后减小。熔覆层内部微观形貌呈现出明显的梯度结构,由结合区熔合线处向顶部依次呈现为细小胞晶、沿逆热流方向生长的柱状晶、晶粒尺寸粗大且生长方向紊乱的树枝晶和等轴晶;且随热输入增大,晶粒尺寸逐渐增大。熔覆层平均硬度值为185.6 HV,优于黄铜基体平均硬度123.9 HV,且熔覆层邻近基体区域硬度明显增大,最高可达206.6 HV。根据宏观形貌、微观组织综合分析,CMT增材单层镍铝青铜最优工艺参数为送丝速度9.0 m·min,焊接速度6.0 mm·s。(3)层间温度是影响镍铝青铜直壁墙侧表面尺寸精度的重要因素。随层间温度增大,直壁墙侧表面粗糙度逐渐增大,尺寸精度降低,在层间温度达到300℃时,各层出现错位、外溢下榻现象。镍铝青铜直壁墙单层微观组织沿堆积方向依次呈现胞晶、等轴晶、柱状晶、树枝晶,直壁墙组织整体以单层为一周期呈现循环规律,枝晶尺寸随远离基体波动增大;随层间温度增大,直壁墙同一高度区域微观组织尺寸逐渐增大。直壁墙硬度值在155-185 HV之间,单层结合区硬度值高于内部其他区域,直壁墙整体硬度随远离基体呈减小趋势。直壁墙平均显微硬度值为2.40 GPa,比基体提高了1.57倍,平均弹性模量值为122.79 GPa,比基体提高了1.99倍,层间温度参数对镍铝青铜内部显微硬度大小无明显影响。直壁墙在焊接方向和斜向下45°方向抗拉强度值在570 MPa左右,远大于堆积方向550 MPa左右的抗拉强度值,堆积方向、焊接方向和斜向下45°方向上的延伸率分别为41.14%、54.00%、41.04%,焊接方向延伸率数值最高;直壁墙耐腐蚀性能优于基体。

关键词： 电弧增材   波形参数   超声振动   成形精度   组织性能  

摘要： 铝合金电弧增材制造（WAAM）具有熔敷速度高、成本较低等优点,但是也存在尺寸精度难以控制、气孔率高和力学性能各向异性等问题。本文利用CMT增材制造铝合金薄壁件,借助图像采集系统和电参数采集系统检测熔敷过程参数及图像,通过图像处理、显微观察及力学性能测试等方法分析成形精度和组织性能,研究行走速度Vtravel、送丝速度WFS、电流波形参数（峰值电流Ipeak和峰值电流持续时间tpeak）和超声振动对增材制造成形质量及组织性能的影响规律,为改善CMT电弧增材制造铝合金中存在的问题寻找新的思路和方法。首先在送丝速度为2m/min～11m/min,行走速度为0.15m/min～3.0m/min的参数范围内进行单道熔敷实验,确定能保证良好的熔敷层成形的送丝速度和行走速度匹配范围。在熔敷层成形良好的工艺范围内研究工艺参数对单道熔敷过程和单道熔敷层成形尺寸的影响。结果表明,一定送丝速度下,随着行走速度增大,层宽、层高和熔深均有大幅度减小;一定行走速度下,随着送丝速度的增大,熔滴过渡逐步由CMT短路过渡转变为短路-射滴交替的混合过渡,再转变为射滴过渡,层宽和熔深增大,层高呈现减小趋势。峰值电流持续时间保持为专家参数不变的情况下,随着峰值电流的减小,熔敷速度、熔敷层层宽和熔深减小,层高增大,熔滴过渡方式不发生改变,熔滴过渡频率和熔滴平均质量变化不大;峰值电流保持专家参数不变的情况下,随着峰值电流持续时间的减小,熔敷速度变化不大,层宽和熔深减小,层高增大,当峰值电流持续时间减小到1.2ms时,熔滴过渡变为短路-射滴交替的混合过渡,进一步减小到1.0ms时,熔滴过渡方式变为短路过渡,熔滴过渡频率降低,熔滴平均质量增大;峰值电流和峰值电流持续时间的减小都可以获得利于进行增材制造的单道熔敷层。施加超声振动促使熔滴过渡由短路过渡向射滴过渡转变,熔滴过渡频率增大,熔滴平均质量减小。在熔敷层成形良好的工艺范围内开展增材制造实验,研究工艺参数对增材制造薄壁件成形尺寸、成形精度、气孔率和组织性能的影响。结果表明,送丝速度为8m/min的情况下,行走速度由0.6m/min增大到1.5m/min时,薄壁件平均层宽和平均层高均减小;表面粗糙度大幅度降低,由1.04mm降低到0.36mm,尺寸精度提高;气孔率近似直线增多;各部分的晶粒尺寸均呈现出减小的规律。行走速度为0.6m/min,随着送丝速度的增大,平均层宽显著增大,而平均层高也稍有增大;气孔率减小;层间柱状晶区域变大,平均晶粒尺寸增大,横、纵向拉伸强度减小。当送丝速度为6m/min时,增材制造的成形精度最佳。峰值电流持续时间保持为专家参数不变的情况下,随着峰值电流的减小,平均层宽和平均层高变化幅度较小;成形精度变好;气孔率增大,各部分晶粒尺寸都减小,横向拉伸强度和延伸率增大。峰值电流保持为专家参数不变的情况下,随着峰值电流持续时间的减小,平均层宽减小而平均层高增大;成形精度变好;气孔率增大,各部分晶粒尺寸都减小,纵、横向拉伸强度增大。施加超声振动后,当送丝速度较小（5m/min和6m/min）时,成形精度有小幅度下降,而当送丝速度达到7m/min后,增材制造试样侧壁成形质量变好;送丝速度为8m/min时,表面粗糙度减小了 52%,尺寸精度达到94%左右,成形精度提高幅度最大。施加超声振动后,气孔总数和气孔率均出现明显减少;送丝速度为7m/min时,减少的幅度最大,薄壁件横截面气孔总数减少了 43%,气孔率降低了 42%,大尺寸气孔基本消失。施加超声振动各部位的晶粒均得到细化,拉伸强度提高。随着送丝速度的增大,超声振动对晶粒的细化作用越明显;当送丝速度达到9m/min时,超声振动的晶粒细化效果和拉伸性能改善效果达到最佳。研究结果表明,适当修改专家参数中的电流波形参数和施加超声振动可以获得成形质量更优、组织性能更佳的增材制造薄壁件。

关键词： 7055铝合金   电弧增材   熔池流动   数值模拟  

摘要： 目前在民用飞机上,铝合金材料的用量占飞机自身重量的60%～80%,7055铝合金具有超高的强度,采用7055超强铝合金代替7050、7B04等500MPa级高强铝合金,用于制造飞机上机翼壁板、桁条等主承力构件,可显著降低结构重量约10%。使用电弧增材技术制造7系铝合金结构件,可实现生产自动化和产品一体化,原料利用率高。本文对7055铝合金电弧增材制造的成形问题以及熔池流动行为的数值模拟展开研究。首先研究了单道多层以及多道单层试样的成形规律,针对单道多层垂直沉积,建立了稳定区成形尺寸与沉积工艺参数预测模型,通过试验验证了预测模型预测单道多层试样成形尺寸的精准度较高,最后分析了沉积工艺参数对试样成形尺寸的影响;探究了沉积工艺参数对单层多道成形的最大倾斜角的影响规律;针对多层多道焊道间搭接,提出了改进的变间距搭接模型,并通过试验验证了所提出的模型,在沉积多层多道试样时,可成形搭接良好。然后工艺试验的基础上,针对单道电弧增材过程中的熔池流动行为展开数值模拟研究,发现沉积电流的改变对于单道单层沉积的熔池尺寸有较大影响,随着沉积电流的增大,熔池内的顺时针漩涡逐渐变小。在纵截面内,熔池内的顺时针漩涡随着沉积电流增大而增大,而且漩涡的中心位置不断后移。沉积速度较小时,横截面上熔池内存在两个涡流,分别是熔池中心底部处的逆时针涡流以及占据大部分熔池的顺时针涡流。随着沉积速度增大,熔池中心底部处的逆时针涡流逐渐消失。而预热温度对熔池尺寸影响较小,主要是对起弧点处的成形有影响。在单道多层电弧沉积的模拟计算中,在拱门状基板上进行沉积,随着沉积电流增大,液态金属且向两侧的流淌更加明显,横截面上顺时针漩涡中心逐渐移动向熔池表面,且熔池中央区域液态金属流动速度向上的分量增加。在沉积速度较小时,熔池向两侧流淌鼓出的现象较为明显,纵截面上未出现漩涡状流动。预热温度的提高有利于单道多层沉积时层间的过渡,随着温度的提高,熔池下边缘的凸角逐渐平滑。倾斜沉积时,凸出的熔池内部存在一顺时针漩涡,右侧表面的液态金属向下流动,内部竖直向上流动,能够维持倾斜沉积的主要作用力是表面张力,在它的作用下电弧正下方的液态金属向原有沉积金属方向水平流动。最后模拟了多道电弧增材制造过程,发现典型沉积参数下,横截面内熔池右侧的液态金属流动主要由电磁力支配,而在靠近原有沉积金属一侧,液态金属在重力的作用下由高向低向着熔池中心位置流动,而纵截面内的流动情况随截面处于电弧中心面的左右有所不同。随着沉积电流的增大,熔池尺寸增大,同时电弧力以及电磁力增大,导致电弧正下方熔池表面下塌明显,加大了与原有沉积金属侧的高度差,重力的作用也随之明显。随着沉积速度的增加,熔池体积明显减小,尤其是熔宽减小明显。沉积速度较小时,熔池内存在两个涡流,分别是熔池尾部的顺时针涡流以及占据大部分熔池的逆时针涡流。随着沉积速度增大,熔池尾部的顺时针涡流消失,顺时针方向的漩涡变大。而预热温度对熔池尺寸影响较小。

关键词： 电弧熔丝增材制造   低碳高强钢   超声冲击   显微组织   各向异性  

摘要： 近年来,随着制造业领域对金属零部件性能、精度、成本和制造周期的要求越来越高,传统的制造手段已经无法完全满足市场需求,而增材制造技术的快速发展给各类金属制件的低成本和高柔性化制造提供了可能,尤其在成形复杂金属零件方面具有独特的优势。电弧熔丝增材制造作为增材制造技术中的一种,以其高沉积速率、高材料利用率、低成本和环保等优点而得到了研究人员和制造商的广泛关注。电弧熔丝增材制造在成形过程中在不同方向上经历的熔化、凝固、加热和冷却条件存在较大差异,温度梯度明显,导致制件在组织和性能上表现出一定程度的各向异性,严重制约了该技术的应用及发展。本文针对海洋船舶用低碳高强钢的电弧熔丝增材制造过程中的各向异性及其改善机理开展研究,从制件的成形工艺入手,然后系统的对薄壁墙制件的成形质量、组织和性能进行了评价,并针对制件的各向异性进行了深入分析,通过在成形过程中引入超声冲击层间强化手段辅助电弧熔丝增材制造来实现薄壁墙制件细化组织、提高性能和改善应力集中及各向异性的目的,并在现有超声冲击作用理论的基础上,丰富了超声冲击对电弧熔丝增材制造制件微观结构的影响机制和作用机理。主要的研究内容及意义包括:为了获得质量优异的薄壁墙制件,针对其沉积工艺参数开展了一系列的研究。从最基础的单道单层成形工艺出发,在能量的角度来分析工艺参数与成形形貌的关系,研究表明,随着线能量密度的提高,单道单层制件的熔宽、熔高、熔深和稀释度随之增加,且线能量密度对熔高的影响最为显著,而对稀释率的影响最不显著。依据不同工艺参数下的成形结果建立了基于线能量密度的工艺窗口,发现当线能量密度大于400J/mm时,单道单层制件可以实现成形。在单道单层制件成形工艺研究的基础上,建立了热输入与单道单层制件成形形貌的模型,并从理论上对该关系进行了分析。此外,为了实现薄壁墙制件的沉积,以单道多层制件的表面粗糙度、直线度和沉积效率等重要成形评价参数为研究目标,建立起工艺参数与单道多层制件成形质量的关系,分析不同热输入条件下单道多层制件成形评价参数的变化,分析结果表明,当线能量密度在600J/mm左右时能够获得高质量的多层沉积制件,在此工艺下沉积的25层薄壁墙制件成形尺寸均匀、表面质量良好并无明显的沉积缺陷,沉积效率可达80%。在得到了低碳高强钢薄壁墙制件后,对其表面质量、组织特征及力学性能进行了评价。利用金相显微镜和扫描电子显微镜对薄壁墙制件的表面质量进行观察后发现,制件表面光滑,丝材熔化充分,整体沉积结果良好,未发现有未熔合、裂纹、夹杂和气孔等现象。薄壁墙制件宏观组织以大量柱状晶为主,整体呈现出明显的方向性生长,而微观结构制件顶部到底部的相组成略有差异,导致显微硬度在290HV0.2到270HV0.2之间波动。制件在准静态拉伸过程中,横向性能与纵向性能相比,抗拉强度高4.2%,屈服强度高10.1%,断裂延伸率高21.4%,呈现出一定程度的各向异性。为了探索造成薄壁墙制件各向异性的原因,采用数字图像相关技术分别对横、纵向准静态拉伸过程中的应变演变进行了分析,研究发现纵向拉伸过程中存在一定数量的局部应变集中区域,这些区域呈现出周期性分布,局部应变集中基本都发生在层间交界区并会引起局部颈缩,断口存在相邻区域韧窝形貌突变的现象,导致应力集中的发生进而影响纵向拉伸的性能。为了进一步分析层间交界区造成应力集中和各向异性的原因,利用SEM和电子背散射衍射手段对层间交界区和沉积区开展了元素分布、组织形貌及相组成、碳化物含量及分布、晶粒尺寸及微观织构等分析,结果表明,两个区域在元素分布上无明显差别,主要的差别体现在微观组织、晶粒尺寸和织构取向上。此外,与沉积区相比,层间交界区的大角度晶界数量较低、晶粒尺寸较大、Schmid因子分布不均匀、织构取向更为显著也是纵向拉伸过程中导致应力集中的原因。针对薄壁墙制件的应力集中和各向异性等现象,通过引入超声冲击层间强化手段来改善该问题。首先从超声冲击对单层制件的作用深度分析入手,结果表明,超声冲击层间强化会促进一定深度下沉积层内部组织形成大量的亚结构(亚晶及小角度晶界),作用效果随着距离冲击表面的增加而逐渐衰减,造成这一现象的主要原因是超声冲击在与制件的作用过程中,会打破周围组织对位错的束缚而发生运动,在位错的运动过程中会发生位错的合并和湮灭,进而形成大量的亚结构。这些亚结构会在后续沉积层的热作用下发生部分再结晶,这一结果在超声冲击前、后的热膨胀比例对比中也可以得到印证,再结晶的发生能够有效地促进沉积层宏观组织中的柱状晶向等轴晶转变。这种转变主要源于再结晶引起的晶粒细化会有效的阻断柱状晶进而形成长宽比较小的胞状结构或等轴晶结构。此外,超声冲击会在制件表面发生诱导氧化效应,形成的氧化物在后一沉积层的重熔作用下,会以异质形核质点的形式提高熔池内液态金属的形核率,进而促进柱状晶向等轴晶转变。

关键词： TC4钛合金   TIG增材   退火处理   固溶+时效  

摘要： TC4是应用最为广泛的钛合金,具有优异的力学性能及抗腐蚀性。而增材制造技术可以一次性成型,对于价格较高的钛合金,增材制造可以降低零件成型时的材料损耗,从而降低成本。本文采用快速凝固的方法制备了多种钛合金成分试样,根据快速凝固成型条件下的组织与性能选择三种成分制备丝材,研究其TIG(钨极氩弧焊)增材后显微组织与力学性能,并对增材体进行了退火和固溶+时效处理,研究其热处理后的组织与性能。主要研究成果如下:(1)额外添加钒、硅、铁元素均会细化快速凝固条件下TC4钛合金中的初生β晶粒,β晶内部主要以α'等亚稳定相为主,快速凝固态TC4钛合金强度为908 MPa,塑性为4%。添加钒元素后强度提高16%,添加硅元素后强度提高33%,添加铁元素后强度略有提高,塑性提高20%。综合各元素在钛中的生长抑制因子(Q)和快速凝固条件下的力学性能,选择标准要求各元素中位值TC4成分、额外添加0.4 wt.%钒和0.2 wt.%铁制备得三种不同丝材,经验证三种丝材均符合GB/T 30562-2014标准。(2)由于电弧增材钛合金中的“本征热处理”特性,显微组织呈现热处理态,宏观组织保留了柱状β晶粒,β晶粒内部以网篮组织为主体,含有少量的集束组织,网篮组织中的α相内部析出大量点状的β相(几十纳米到几百纳米),添加铁元素后,α相颗粒的尺寸下降了42%;增材体与快速凝固态相比,强度和塑性均有所提升(944 MPa,9%);增钒增材体与TC4增材体强度与塑性相差无几,添铁增材体强度略有降低,但塑性提高到约27%。(3)三种成分增材体退火后基本消除α'相,且降低了集束组织的比例,α相逐渐粗化,点状β相减少,在920℃×2 h退火工艺下产生块状β相。选择其中最优工艺参数(850℃×2 h炉冷)进行退火处理后,所有增材体的显微硬度均有所降低,竖直方向塑性有所提高;退火后增钒增材体塑性提高到约13%,强度几乎没有变化;添铁增材体退火后强度提高近100 MPa。(4)对三种增材体进行固溶+时效处理后,固溶态以α/α'集束组织为主,并保留高温下产生的块状β相,时效后集束组织消失,产生点状β相,α相随固溶温度增加而粗化,块状β相内部析出交织的α相,形成初始β晶粒内微米级的α相交织和块状β相内微纳米级交织α相的双交织结构;选择其中最佳工艺参数(920℃×1 h+水冷+530℃×4h+空冷)进行固溶时效处理后,TC4增材试样水平方向的强度提高了50 MPa,增钒增材体抗拉强度上升60 MPa,塑性提升到11%,添铁增材体的强度提升60 MPa,但塑性大幅下降。