关键词： 熔丝增材制造   旁路耦合焊   模拟研究   电弧形态   熔池流动  

摘要： 丝材电弧增材制造熔敷率高,成本低,适用于大规模的工业化生产,但是其最大的问题是对母材的热输入过高。随着焊道层数的累加,已成形的工件热积累增大,同时散热条件变差,对焊缝成形以及焊接质量控制产生影响。旁路耦合作为一种热输入低、焊接效率高的焊接方法,在增材制造过程中可以有效的控制热输入,提高增材质量。本文使用电弧熔丝GTAW方法,进行增材制造试验研究,通过试验和模拟的方法,对电弧行为以及焊接熔池进行研究,为进一步研究旁路耦合增材制造过程奠定理论基础。本文首先基于电磁学以及流体动力学理论建立了电弧熔丝GTAW焊电弧三维模型,使用FLUENT软件研究了电弧熔丝GTAW电弧特性,分别研究了主路电流、旁路电流及焊丝高度对电弧特性的影响,结果表明:电弧熔丝GTAW焊电弧为耦合电弧,主路电流与旁路电流在电弧的弧柱区耦合,在工件表面电弧温度与压力分布呈单峰分布。主路电流的增大,使电弧偏转程度减小。主路电流为50A、100A时,电流密度、温度峰值在钨极端部区域,且随着主路电流的增大峰值变化不大;主路电流增大到150A时,电流密度、温度峰值在钨极端部下方。电流每增大50A,电弧等离子流速分别增加137.9m/s、132.4m/s;电弧压力峰值分别增加305.4Pa、376.4Pa;旁路电流的增大使电弧偏转程度增大;电流密度、温度峰值在焊丝端部区域,旁路电流每增大50A,电流密度分别增大4.48×10～7A/m2、3.7×10～7A/m2;电弧温度分别增加4335K、4412K。不同焊丝高度使耦合电弧共用导电通道面积发生改变,影响其电弧特性;在焊丝高度为4mm时,旁路电弧对焊接工件影响较大,工件表面温度分布呈双峰分布,在焊丝正下方温度最高。然后从传热学和流体动力学角度出发,考虑熔滴和电弧压力对熔池的影响,建立了基于FLUENT三维瞬态熔池流体流动数值分析模型。使用单个双椭球热源及熔滴热焓模拟电弧对工件的热输入。根据增材制造过程特点,建立了增材模拟模型。研究发现:在电弧熔丝GTAW焊时,焊接参数的改变使熔滴进入熔池位置发生改变;熔滴进入熔池后,熔池表面形成较大的表面张力梯度分布差异,在表面张力、熔滴冲击力及浮力作用下液态金属沿熔池底部形貌方向流动,之后流向熔池前部,并在热源作用范围内不断堆积。由于热源作用于工件的范围较小,熔池表面张力梯度阻碍液态金属进一步扩展,使已成形熔池逐渐增高;工件表面热源起到促进熔池扩展、增加熔宽与改善熔池形貌的作用;在增材制造过程中,熔滴进入熔池后由于两侧缺少熔池支撑,液态金属在侧面向下流动,导致焊缝宽度增加。由于工件基板温度较高时,在相同热源分布参数条件下,焊缝受热源影响的范围增大,温度梯度增加。在增材后期,熔池面积增大,焊缝冷却速度减小。最后使用红外热成像仪拍摄了增材中期及后期焊缝表面温度分布,研究发现:焊后4s、12s、20s、34s后,在增材过程第3道焊缝熔池表面温度最大值分别为964.2℃、704.0℃、633.0℃、566.9℃;增材过程第6道焊缝熔池表面温度最大值分别为974.5℃、729.4℃、684.3℃、644.2℃;在焊接刚结束时焊缝温度冷却速度较快,随着冷却时间的增加,焊缝温度冷却速度变慢;在增材后期,相同冷却时间下焊缝冷却速度有所降低,焊后34s时最高温度约为600℃,对比增材中期温度高约100℃。

关键词： 电弧增材制造   多重成形策略   有限元模拟   温度演变   应力分布  

摘要： 随着中国制造2025制造强国战略的稳步推进,中国制造业转型升级加速发展,电弧增材制造技术作为先进智能制造技术的一种,具有广阔的应用前景。在电弧增材制造过程中,同一点经过周期性的加热会产生复杂的热应力和残余应力演变,从而导致沉积层的层离,引起成形件的变形和开裂,降低成形件的性能和质量。本文基于热-弹塑性有限元法和必要的验证实验,对电弧增材制造合金钢的热历程和应力演变规律进行了研究,为控制成形过程中的热应力,减小成形件的变形和调整优化成形工艺参数提供了依据。研究了单道多层2Cr13薄壁件的成形实验,通过建立电弧增材制造三维有限元模型,对不同层间停留时间和不同层间沉积方向成形薄壁件的温度场和应力场进行模拟,模拟结果与测量结果基本一致。研究结果表明,适当延长层间停留时间可降低沉积层内部最终的残余拉应力,层间停留时间大于210 s时,再延长层间停留时间,起不到明显降低应力的效果。层间S形沉积可提高残余应力分布的均匀性,降低工件平均应力。研究了道间停留时间和四种二维平面成形路径对电弧增材制造多道单层H13沉积件热历程和应力分布的影响规律。研究结果表明,道间停留时间从0 s延长到60 s可显著降低基板和沉积件上分布的残余应力,道间停留时间大于60 s时,再延长道间停留时间,不仅起不到明显降低应力的效果,还会增大沉积件上的高残余应力区域。对于二维平面成形路径,采用两边到中间,对称S形路径沉积时,沉积件高残余应力区域面积最小;采用中间到两边,对称S形路径沉积时,沿沉积件基板中心线分布的横向残余应力峰值最低,纵向残余应力在沉积件内部最小。研究了四种三维立体成形路径对多道多层H13块体热历程和应力分布的影响规律。研究结果表明,对于三维立体成形路径,层内采用中间到两边,对称S形路径,层间采用十字交叉沉积路径时,沉积成形的块体高残余应力区域明显小于其他沉积路径的沉积件,成形块体高度方向变形也明显小于其他沉积路径的沉积件,且变形分布较均匀。

关键词： 电弧增材制造   桁架结构   有限元分析   路径规划   变形控制  

摘要： 增材制造技术是一种快速发展的新型技术,其在复杂结构的成形与高性能零件的产出方面有较大的优势。目前针对增材技术的研究多以实验为基础,探究其提高成形精度的工艺方法。而本文将采用有限元模拟与实验相结合的方案,研究低合金钢材料桁架结构电弧增材过程中应力应变场与温度场的演变过程。桁架结构为多根小截面杆件组成的梁式结构,较大的抗弯能力使其多用于建筑的屋盖结构中。本文将通过外界条件的变化探索出具有一定价值的变形调控措施。首先利用CMT电弧增材制造系统,进行目标参数下的低合金钢多层单道成形实验,提取结构件的相关几何参数作为后续有限元几何模型建立的基础。通过温度场的模拟与熔池轮廓范围的比对,证实三个双椭球的组合热源模型较单独的双椭球热源模型更加符合实际CMT电弧增材的情况。同时确定模拟所用材料参数、边界条件,使之与实际情况吻合。在上述方法建立的有限元模型前提下,对立柱件结构进行数值模拟。使用往复成形路径,消除单向成形时结构件在起弧位置由于热量累积而导致的残余应力与变形量过高的问题,并通过实验对模拟结果进行验证,结果表明在电弧增材过程中增材至18mm高度后,增材层对基板的变形和应力场的影响开始逐渐减弱,且随着基板凸台厚度的增加基板整体变形量呈明显下降趋势。在基板变形量最大区域施加工装也可明显改善整体变形量。其次对封闭中空环形件进行不同成形路径下的应力及变形量计算,对比发现不同方案虽都有内收的变形趋势,但两侧成形方案由于增材路径规划趋于对称,其变形程度相对较小。最后对整体桁架结构进行有限元分析,通过计算发现在环形件相应位置增加加强筋能使其减少原本25%的变形量,有效的缓解了桁架结构的整体变形,并通过后续去应力退火处理提高整体桁架结构稳定性,防止其局部开裂、变形。本文通过对桁架结构电弧增材过程中温度场、应力应变场的模拟计算,以及对实际结构件相应参数的比对。揭示了影响增材结构变形量的相关参数,获得典型桁架结构件的合理电弧增材制造方法并为改善其增材件成形精度提供了理论支持。

关键词： DP980双相钢   电弧增材制造   冷金属过渡焊   组织和性能   数值模拟  

摘要： 超高强度双相钢因其优异的性能和良好的加工性而被广泛应用到各个领域。增材制造技术将实物建立的计算机模型转化为成形路线点,通过系列软件控制三维增材系统设备,在三维空间以累加的方式快速成形工件,其对于结构复杂的工件相比于传统加工方法更具优势。电弧增材制造技术通过结合焊接电弧作为加工热源,将丝材熔化逐层堆积金属成形构件,具有沉积率高、成本低、可行性好以及效率高等优点。先进超高强度钢电弧增材制造技术的研究在同时满足零件制造高效智能化与安全性要求方面具有重要的现实意义。本文通过基于冷金属过渡焊电弧为热源的增材制造系统,采用1.0mm的DP980超高强双相钢ER120S-G焊丝进行增材实验,对单道单层和单道多层增材工艺进行探究。重点研究单道多层增材直壁体成形工艺、微观组织和力学性能,通过正交设计实验确定增材直壁体性能最佳时的工艺参数,并对此增材过程的温度场和应力场变化进行有限元模拟分析。实验结果表明,增材工艺参数对增材试样成形具有一定影响。对于单道多层增材试样,随着送丝速度或层间温度的增大,增材试样成形尺寸均增大;随着焊接速度的增加,增材试样成形尺寸减小。单道多层增材直壁体试样组织主要以柱状晶和等轴晶的形式存在,组织以粒状贝氏体为主且晶粒分布均匀。增材直壁体试样横向抗拉强度最大值为976MPa,纵向抗拉强度最大值为917MPa,均达到DP980母材抗拉强度90%以上;横向和纵向拉伸试样断口均为塑性断裂,断口存在大量韧窝。增材直壁体试样横向和纵向冲击性能差异不大,冲击断裂形式均为微孔聚集型断裂。增材直壁体试样中下部硬度值要高于上部硬度值,平均显微硬度值约为360HV,高于DP980母材显微硬度值320HV。通过有限元模拟温度场与实验测量温度结果对比,证明DP980单道多层CMT电弧增材制造过程所建立的热源模型正确。经模拟计算分析得到,增材直壁体试样最大等效应力值产生在第一层中间部位,最大值为915MPa;最大残余应力为184.8MPa;增材直壁体变形最大位置出现在直壁体顶部两端,总变形量为2.32mm。本实验条件下,以横向抗拉强度最优为标准,DP980双相钢CMT电弧增材制造最佳工艺参数为:送丝速度3.0m/min,焊接速度550mm/min,层间温度140℃,得到的单道多层增材直壁体成形质量良好且力学性能优异。

关键词： 增材制造   建模模块   分层及路径规划模块   点数据后处理模块  

摘要： 增材制造技术是一种将零件分层后,按照截面轮廓逐层进行堆积,最终成形出目标零件的技术。该技术依托于零件的CAD模型,具有较高的加工效率和简单的生产工序,特别是对形状复杂的零件具有很好的适应性。而零件加工过程主要由硬件与软件两部分进行控制,其中软件系统对成形零件的可成形性、成形精度、成形时间等具有重要影响,故得到了国内外学者的广泛关注。因此,开发合适的加工工艺软件系统对简化生产流程、提高零件的制造精度与实现生产的自动化具有重要意义。本文基于NX二次开发平台,研究并开发出了适用于增材制造的软件系统的部分模块,并对目标件进行了测试,取得了较好的测试效果。首先基于可视化要求,研究并开发了建模模块,以完成对目标件三维模型的导入,并实现了对该模型分区功能,即通过选择合适的分割面,指定一部分实体为基体,其他部分为增材区,为后续的工艺规划提供基础。然后基于增材制造加工工艺的需求,研究开发了分层及路径规划模块,提供等层厚平面分层、等层厚自由曲面分层等分层方式及光栅扫描式与轮廓偏移式两种层内路径填充方式。并开发了预测单层单道焊缝模型尺寸的对话框,通过常见的增材工艺参数实现对焊缝熔宽和余高的计算,以用于分层及路径规划过程中的层间距离及焊缝搭接率的确定。最后,基于已生成的层内路径开发了相应的点数据后处理模块,实现了可用于Kuka机器人的点数据结构文本文件的输出,以满足实际生产过程中对机器人焊枪位置的控制及焊枪位姿的调整。本文通过对四个目标件的软件测试,确认以上模块均取得较好的测试结果,能满足模块初始设计功能,并适用于实际生产过程。

关键词： 电弧增材制造   热源模型   温度场   神经网络   尺寸预测   路径规划   成型质量  

摘要： 近些年,随着我国航空航天、船舶领域的高速发展,大型化、轻量化、复杂化的金属结构件正受到广泛应用,同时对成型制造工艺也提出了更高的要求。相比于传统制造工艺,电弧增材制造具有生产效率高、加工成本低及成型性能良好等特点,可直接成型组织致密的金属结构件。本课题针对复杂特征结构件成型工艺进行研究,主要通过温度场仿真分析、成型方法改良、建立预测模型等方法从控性及控型两方面展开了研究。控性方面主要针对CMT电弧增材制造过程温度场进行研究。以传统双椭球热源模型为基础,引入了间歇性系数ξ对热源热输入频率进行修改,建立了CMT间歇性热源模型,有效提高温度场仿真计算精度,并利用红外热像仪设计验证性试验,将基板预置点处热循环曲线的试验与仿真数据进行对比分析,结果吻合度较高,验证了仿真模型的有效性;然后利用数值仿真模型进行了薄壁堆焊过程温度场仿真计算,研究了层间间隔时间、基板预热温度对峰值温度、温度梯度、冷却速率等的影响。结果表明,在CMT电弧增材制造过程中可以通过改变层间间隔时间与基板预热温度来降低温度梯度、提高冷却速率,将降温与升温相结合对预制件温度进行控制,改善CMT电弧增材制造成型质量。其次针对复杂特征结构件的成型工艺展开控型方面研究。进行了一系列单焊缝成型试验,利用试验数据建立了神经网络预测模型,对不同工艺参数下的单焊缝成型尺寸进行准确预测,实现了电弧增材制造过程的闭环控制;然后分别针对厚壁及悬空特征成型方法进行优化,基于垂直交叉的思想对成型路径进行规划,降低了缺陷率,并在此基础上建立了数学模型,对预制件的成型尺寸、堆焊过程中焊枪倾斜角度实现了准确预测。最后根据前期电弧增材制造基础试验,确定了适合CMT电弧增材制造的工艺参数范围,并以高精度红外热像仪作为介质,将堆焊过程温度场仿真分析结果、特征成型方法、尺寸预测模型及算法与成型系统相结合,进行了部分复杂特征结构件成型试验。试验结果表明,预制件表面成型质量良好,无明显缺陷出现,成型尺寸误差小于1mm,符合电弧增材制造成型要求,验证了理论的有效性。

关键词： 高强复合链轮   CMT工艺   电弧增材制造   曲面分层   路径规划  

摘要： 针对刮板输送机链轮在工作过程中磨损过快的问题,提出采用电弧增材制造技术在链窝表面增材一定厚度的高硬度耐磨损层。对比目前各种电弧增材工艺,确定热输入低、沉积速率大的CMT(Cold Metal Transfer)技术作为工艺方法,利用机器人实现自动化堆敷过程。建立了CMT增材制造试验系统,包括:6自由度弧焊机器人、CMT焊接系统、参数采集及控制计算机等。机器人与焊接系统通过Rob5000模块进行通讯,计算机和机器人之间利用Motocom32通讯。根据工艺要求,设计了相应的工装夹具以及预热装置。试验材料为链轮常用的42Cr Mo钢,焊接材料为GFC-103耐磨药芯焊丝。开展了CMT增材制造工艺试验,研究了送丝速度、焊接速度与送丝速度比值和预热温度与堆敷层宏观成形、稀释率、界面结合强度和堆敷层硬度之间的规律。结果表明:在不出现裂纹的情况下,选择较低的预热温度和送丝速度以及较高的焊接速度更利于得到优异的成形质量和性能指标组合。在此基础上分别针对链窝堆敷过程中的平、横、立等位置进行了小热输入工艺试验,确定了适用于链窝曲面的最优成形规范。同时针对堆敷层边缘不齐及起弧和熄弧对成形的影响,提出了轮廓偏置扫描路径和弓字形扫描路径的处理方案。研究了链窝曲面机器人CMT增材路径规划技术。依据离散堆积原理,首先对待增材区域进行分层设计,对比平面分层和曲面分层,发现对于曲率较大的链窝面采用曲面分层得到的各层轮廓变化更平缓,曲面形状规则,增材过程中不会发生流淌塌陷问题。得到各层曲面后,在曲面上分别进行纵向填充路径、横向填充路径和偏置轮廓路径规划,得到的路径点平滑连续,能够很好地适应曲面轮廓。在得到焊枪行走路径基础上,对比不同情况发现在纵向填充过程中,当链轮周向平面与机器人主体平行放置,焊枪以前进方式行走时,机器人各轴运动平缓,不存在突变。同样当横向填充和偏置轮廓扫描时,保持链轮相对位置和机器人姿态与纵向填充类似时,机器人各关节不存在奇异点,堆敷过程平稳。将得到的位姿信息转化为机器人代码程序,导入到机器人控制柜中对实际的链窝进行了验证试验。结果表明:堆敷层表面保持曲面形状,内部均匀平整,边缘与周围轮廓相适应,未出现超出轮廓边缘情况,验证了得到的路径规划算法及CMT堆敷工艺能够适用于链窝曲面增材制造过程。

关键词： 锻模修复   电弧熔丝   随形增材   成形特性   轨迹规划  

摘要： 锻造模具易发生型面磨损、疲劳开裂等问题,需进行多次增材修复以延长寿命。车用锻模应用量大,对修复成本、寿命及性能要求较高。近年来锻造企业逐渐采用机器人电弧熔丝增材再制造技术进行锻模仿形修复,但其按水平分层方式自下而上逐层堆积成形,无法沿型腔曲面形成材料、性能一致的均匀强化层,导致修复后寿命不高,而采用沿型腔曲面随形分层增材的修复方式则能克服此问题。因此,针对车用锻模型腔曲面电弧熔丝随形增材修复技术,运用理论分析、数值模拟及实验验证等方法,研究复杂曲面上多位置姿态下电弧增材熔池流动成形特性,建立曲面任意局部倾角下随形横焊多道最优搭接模型,提出曲面分块全局等高横焊变距偏置随形增材轨迹规划方法,揭示曲面随形增材层成形形貌及温度、应力分布特点,为车用锻模型腔随形增材修复的成形控制提供理论和技术支撑。研究工作如下:基于车用锻模型腔复杂曲面几何结构特性,建立了型腔曲面多位置下电弧熔丝随形增材流体动力学仿真模型,分析不同增材位置下焊接热源、熔池受力、曲面局部结构、轨迹方向等对熔池流动及焊道成形的影响。研究发现,平焊位置下,熔池左右对称,形成焊道形貌均匀;当曲面局部倾角增大时,平焊姿态演变为横焊姿态,熔池受到重力的侧向拖拽作用,向一侧偏移,但受表面张力作用,成形仍较为稳定;向下焊时,熔池流体向前部流动并向两侧摊开,宽度增加,波动剧烈;向上焊时,熔池前部金属大量向后流动,长度增加,中部先于后部冷却凝固,形成间断驼峰。结果表明复杂曲面上平焊、横焊姿态熔池流动、成形较为稳定,为锻模型腔曲面全局横焊随形增材稳定成形工艺提供了理论支撑。针对提出的全局横焊随形增材工艺,首先建立了平焊位置单道几何轮廓模型,并提出平焊两道渐变抛物线搭接模型,可预测任意搭接率下两道形貌变化,基于表面波纹度和稳定成形条件确定平焊最优搭接系数,最优搭接率下焊层表面质量较好,且其随着焊道宽高比的增大而减小。然后推广至任意倾角的横焊位置,由于横焊焊道轮廓相对于平焊产生一定的侧偏,建立了曲面横焊时焊道修正模型,并在平焊最优搭接模型的基础上引入补偿项,获得曲面不同焊接参数及局部倾角条件下最优搭接系数,能适应复杂曲面全局横焊搭接成形需求,获得均匀一致的表面波纹度,为后续横焊轨迹规划提供最优偏置搭接距离。焊枪沿曲面等高线移动能使熔池处于横焊位置,但其分布因曲面结构变化而疏密不均,无法形成均匀增材层。分析了车用锻模型腔曲面的几何特性,计算其特征参数,采用减法聚类和模糊C均值聚类相结合的算法,对曲面点云进行聚类划分,获得了法向、曲率等几何参数近似的简单分块曲面,有利于获得全局近似等高的横焊轨迹。提出了一种分块边界骨架提取算法、曲面等高线生成算法及分块聚类中心到NURBS曲面的投影算法,作为后续轨迹规划的基础。在全局横焊的工艺需求和复杂曲面的分块结构基础上,分析了曲面上轨迹与边界多边形的几何相交关系,研究了NURBS轨迹曲线的累加弦长拟合及等弓高误差离散方法,并在各分块区域以聚类中心等高线为基线,根据不同局部倾角和焊接参数计算最优搭接偏置距离,进行轨迹规划以覆盖各个曲面分块,得到的每条轨迹Z坐标偏差不超过1.2 mm,即在曲面全局生成了均匀分布的近似等高横焊轨迹,且轨迹间距满足复杂曲面横焊最优搭接偏置距离要求,克服了复杂曲面普通整体连续轨迹熔池位姿变化及自然等高线轨迹间距分布不均匀的问题。最后采用整体连续轨迹及分块横焊轨迹分别进行随形增材实验,分析了增材层的表面平整度及厚度均匀性,整体轨迹在曲面不同区域焊接姿态不同,增材层形貌及厚度不均匀,而分块轨迹在曲面各个区域均能保证横焊姿态,增材层表面形貌较为一致,平整度较好;观察了增材层金属截面的宏微观形貌,焊道间熔合良好且未见缺陷;建立了曲面随形增材焊接热-结构耦合有限元模型,分析结果表明分块轨迹相比于整体轨迹温度分布较均匀,应力较小,且其分布没有明显的方向性差异,总体变形量较小。论文的研究工作为曲面电弧熔丝随形增材修复技术在车用锻模修复领域的应用提供了依据,具有较为重要的学术和工程意义。

关键词： 激光电弧复合增材制造   仿真   路径规划   工艺   奥氏体不锈钢   组织性能  

摘要： 激光电弧复合增材制造是采用激光电弧复合热源,熔化金属丝材,快速直接制造金属复杂成型件的技术,所得到的金属成型件具有致密度高、力学性能优良的特点,可极大提高材料的利用率、生产效率和制造技术的核心竞争力。本文以304奥氏体不锈钢为研究材料,研究激光电弧复合增材制造过程中的热力场仿真、成型路径规划、工艺参数对复合增材制造成型件组织性能的影响、固溶工艺对复合增材制造成型件组织性能的影响。结果表明,道间堆积应采用同向由左至右的路径,层间堆积应采用交错式路径;单道多层与多层多道成型件抗拉强度最高达到640MPa与696MPa;固溶处理之后多层多道成型件组织更加均匀,抗拉强度有所下降,韧性提高,耐腐蚀性能提升,使得成型件的组织性能可以进一步满足实际工程需求,研究结果对该技术的实际应用提供了技术支持。具体规律如下:采用Simufact Welding软件对激光电弧复合增材制造热力场进行仿真,分别采用K型热电偶和X-ray残余应力分析仪对温度场与应力场进行测量,证实计算模型的准确性。成型过程中,温度逐渐积累,温度峰值出现在成型结束时刻,增材制造结束后,等效应力逐渐增大转变为残余应力。成型件的应力分布主要集中在道间、层间的结合处以及堆积层与基板的连接处。利用仿真结果指导试验,以散热条件、应力分布、最大变形量、实际成型效果为评估标准,道间堆积时采用同向式由左至右堆积较优,层间堆积时采用交错式堆积较优。研究了不同工艺参数下的单道多层激光电弧复合增材制造成型件的组织性能,随着激光功率和电弧能量的增大,晶粒尺寸与枝晶间距逐渐增大,抗拉强度与显微硬度逐渐减小。采用激光功率1500W、电弧能量4960W、堆积速度0.6m/min进行多层多道件的成型试验,成型件组织为大部分奥氏体加残余铁素体,成型过程中出现了第二相粒子Cr23C6,成型件横、纵两个方向上的抗拉强度分别为696MPa和661MPa,各个方向上的冲击功数值在70J左右。固溶处理后的多层多道成型件组织中的残余铁素体逐渐转变为奥氏体,而热成型过程中出现的第二相粒子溶解于奥氏体基体中,高温下的组织逐渐长大,60min固溶处理后的成型件横、纵方向抗拉强度降低,延长率最高增大,耐腐蚀性达到最佳。

关键词： WAAM-CMT   TiB2/AlSi7Mg0.6   微观组织   力学性能  

摘要： 为了满足航空航天等领域大型复杂结构件的生产需求,本文采用基于CMT的丝材电弧增材制造（WAAM-CMT）技术实现了TiB2/Al-Si基复合材料的快速成形,系统地研究了CMT焊接模式（CMT,CMT-ADV,CMT-P）、热输入量、扫描速度、保护气体流量工艺参数对焊道形貌、焊道尺寸和气孔率的影响规律,探讨了WAAM-CMT的凝固成形机制和TiB2颗粒对成形件微观组织与力学性能的影响机理,优化了适合WAAM-CMT成形件的热处理工艺,并讨论了WAAM-CMT成形TiB2/Al-Si基复合材料的强化机制。研究结果表明不同焊接模式对焊道尺寸的影响不是很大,但是CMT模式下焊道的气孔率要远高于另两种模式,所以CMT-ADV和CMT-P这两种模式比较适合TiB2/AlSi7Mg0.6焊丝的WAAM-CMT成形。当选用CMT-ADV模式时,热输入量和扫描速度对焊道尺寸有较大的影响,而保护气体流量对焊道尺寸的影响不大,适当地提高热输入量和扫描速度有利于减小气孔率。焊接电流最好控制在135A-156A,扫描速度在12mm/s-13mm/s之间,保护气体流量为20L/min。WAAM-CMT打印TiB2/AlSi7Mg0.6复合材料基体主要包含初生α-Al和Al-Si共晶组织,共晶Si相以条状或片状分布在基体晶界上。和铸造AlSi7Mg0.6铝合金的二次枝臂间距（25μm）相比,WAAM-CMT打印AlSi7Mg0.6铝合金的二次枝臂间距仅为8μm左右。另外,TiB2颗粒的加入也起到了细化晶粒的作用,WAAM-CMT打印TiB2/AlSi7Mg0.6的平均晶粒尺寸为28μm,较打印态铝合金的平均晶粒尺寸（53.4μm）也有了明显的细化。直接时效处理对WAAM-CMT成形件性能提高影响不大,需要通过T6热处理来优化试样的组织与性能,并且预时效可以加快材料时效硬化的速度,最佳热处理工艺为535°C/1h+120°C/1h+165°C/8h。WAAM-CMT打印TiB2/AlSi7Mg0.6复合材料的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别可以达到102.97MPa、215.75MPa和7.47%,经过T6热处理,试样的弹性模量可以提高73.6%。WAAM-CMT打印TiB2/AlSi7Mg0.6复合材料的强化机制为:加入TiB2颗粒和快速冷却引起的细晶强化;经过T6热处理后生成析出相引起的弥散强化;溶质截留效应和固溶处理引起的Si原子固溶强化;TiB2颗粒由于载荷传递机制起到承担载荷的作用。