关键词： 双脉冲MIG焊   蚁群优化控制   电弧增材制造   矩形波调制   梯形波调制  

摘要： 铝合金焊接技术及电弧焊在增材制造中的应用是当前高效制造领域的研究热点,要得到力学性能优异的增材构件,需要可靠的焊接电流波形控制技术和较成熟的焊接工艺。本论文在铝合金焊接电源软硬件系统设计的基础上,引入蚁群优化智能控制算法,实现焊接电流波形的快速精确控制;通过焊接电弧动态性能的定量评定分析,优化铝合金焊接电流波形参数,研究铝合金增材制造的质量控制问题。论文主要完成如下工作:(1)研究了适合铝合金焊接特点的数字化弧焊电源。设计铝合金电源系统总体结构方案,分别对主电路、DSP控制电路、IGBT驱动电路、送丝电路、保护电路、全桥逆变电路等进行分析,并采用移相软开关控制技术,有效地减小了逆变器的开关损耗。建立MATLAB/Simulink模型,对焊接电源系统进行仿真分析,验证了硬件电路的可靠性。(2)研究了基于蚁群算法的铝合金双脉冲MIG焊电流波形的PID优化控制。分析焊接电流常规PID控制存在的问题,引入蚁群优化控制算法,实现PID参数的优化控制。建立了铝合金双脉冲MIG焊电流波形的MATLAB/Simulink模型,仿真及工艺试验结果表明:蚁群优化PID控制使得焊接电流波形调节时间相对于常规PID控制缩短了一半,且所得焊缝的抗拉强度比常规PID控制的焊缝的抗拉强度提高16.4%。(3)研究了焊接电源的监控系统和焊接电信号小波分析评定系统。以嵌入式控制芯片STM32F103C4为核心设计了人机交互系统;采用Zig Bee通信技术,设计了焊接电源的监控终端平台;研究了基于小波变换的焊接电弧动态电信号分析系统,在对焊接过程电信号进行小波滤波的基础上,根据焊接电流概率密度、弧焊电压概率密度和焊接线能量对电弧动态性能进行定量分析评定。(4)研究了铝合金双脉冲焊接工艺及在增材制造中的应用。采用双脉冲矩形波和梯形波调制方法,研究基值电流和低频调制频率对铝合金焊接的影响规律。结果表明:强弱脉冲基值电流之差为38 A、低频调制频率为5 Hz时,电弧最稳定且焊缝拉伸性能最优;将焊接优化的电流波形参数应用在铝合金增材制造试验中,进行层间冷却时间为10s、50 s和90 s的三组试验,并对比两种波形调制方法的增材试件成型质量。结果表明:层间冷却时间的增加有利于增材试件力学性能的提高,且梯形波调制所得增材试件的力学性能更优。

关键词： 电弧增材制造   脉冲MIG焊   热输入   有限元模拟  

摘要： 增材制造技术是一种新型的材料成型方法,集数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等众多研究成果于一体,又被称为快速成型技术和3D打印技术。近年来,随着增材制造产品的逐渐商业化,以追求低成本、高效率为目的的成型方法受到越来越多的重视。所以,电弧增材制造方法便快速地发展起来。但由于受电弧热输入和热积累严重的原因,成型件精度问题一直是遏制电弧增材制造技术发展的一大瓶颈。本文主要针对电弧增材制造过程热输入较大和热积累严重的问题,探索和研究了MIG焊低热输入电弧增材制造工艺方法。课题主要以三轴滑台运动系统为支撑,结合了基于LabVIEW弧焊参数测控系统控制恒流焊机输出脉冲波形电流的方法,搭建了恒流MIG焊电弧增材制造试验系统,并在此基础上进行了一系列工艺试验。首先,利用LabVIEW弧焊参数测控系统生成了矩形波、正弦波、三角波和锯齿波,并分别利用这四种波形进行了电弧增材制造工艺试验,计算和比较了各波形电流条件下焊接线能量大小和成型精度。发现矩形波电流焊接时线能量最大,成型精度最高,锯齿波形电流焊接线能量最小,成型精度最低,而正弦波和三角波居中。通过观察比较各波形电流下焊接过程U-I相图和电流-电压相关性曲线得知:矩形波电流对熔滴过渡的控制最为理想;正弦波、三角波次之;锯齿波最差。故而锯齿波形电流成型性能最差,不适用于电弧增材制造。其次,在以矩形波控制输出电流焊接的基础上,确定了影响焊接热输入的相关焊接参数,并设计了正交试验选择出能有效降低焊接热输入和熔滴过渡控制的最优焊接参数。利用该焊接参数分别进行了单层单道焊接工艺试验和增材制造试验。结果表明,优化的焊接参数下线能量明显降低;熔滴过渡规律性强、熔滴尺寸较小;焊缝成形美观;增材制造成型件精度有了大大地提高。并在此基础上,探究了双脉冲MIG焊接工艺性能,发现在参数规格相近的条件下,双脉冲波形电流焊接时线能量明显低于单脉冲;而且增材制造成型件精度远远高于单脉冲,成型件几乎相近于原模型。最后,基于电弧增材制造热积累严重的问题,引入了基板背面加水冷铜板的散热方法。并利用Abaqus有限元模拟软件分别模拟对比了有无水冷两种散热条件下电弧增材制造温度场的分布情况。模拟过程采用生死单元技术和Dflux焊接热源子程序,并利用等效散热系数的方法模拟水冷散热过程。并对模拟结果进行了实验验证。结果显示,模拟结果基本与实验结果相符;在热输入相同的条件下,有无水冷两种基板散热条件下增材制造基板温度均在第七层时达到最大;无水冷条件下熔池温度、基板温度均高于水冷条件,但成型件冷却速度和平均温度梯度明显低于水冷条件下成型件冷却速度和平均温度梯度。

关键词： Al-Si合金   电弧增材   搅拌摩擦加工   微观组织   力学性能  

摘要： 金属丝材电弧增材制造（WAAM）是一种以电弧作为热源熔化金属丝材,按照设定路径在金属基板上逐层熔覆堆积成形的技术。与以激光和电子束为热源的金属增材制造技术相比,WAAM技术具有设备成本低、材料利用率高、沉积速率高、成形零件尺寸不受限制等优点。但电弧增材制造技术也存在明显的尚难以解决的问题:（1）对成形零件尺寸精度和表面粗糙度的控制（旨在控制成形质量,简称“控形”）;（2）对成形零件内部焊接缺陷（气孔和裂纹）、枝晶偏析,组织粗大等问题的控制（旨在控制性能,又称“控性”）。本研究利用自行设计并搭建的CMT电弧增材制造实验平台成形Al-Si合金直壁墙,系统研究了电流模式、热输入、强制冷却及层间搅拌摩擦加工（FSP）对WAAM成形Al-Si合金的成形质量、微观组织和力学性能的影响规律。为“控形”和“控性”新技术在铝合金WAAM中的实际应用提供理论和实验数据支持。首先,利用CMT（Cold Metal Transfer,CMT）电弧增材制造实验平台在5种电流模式（普通 MIG、CMT、CMT-P、CMT-ADV、CMT-PADV）制备 Al-5Si 合金直壁墙,通过比较不同电流模式下WAAM试样的气孔率和二次枝晶臂间距大小,确定了本研究条件下CMT-PADV模式为WAAM成形Al-Si合金优选电流模式。接下来,采用CMT-PADV电流模式并选用不同的焊接速度制备了 4种不同热输入条件下成形的Al-5Si合金直壁墙（长270mm×宽7-10mm×高66mm）,系统研究了热输入对Al-5Si合金直壁墙成形质量、微观组织和力学性能的影响规律。结果表明,热输入由380J/mm减小到140J/mm,成形直壁墙的有效宽度减小、有效宽度系数增加;气孔率随热输入增加呈现先增加后减小趋势,当热输入为220J/mm时,气孔率最高（0.15%）;成形直壁墙的二次枝晶臂间距随热输入降低而减小,当热输入为140J/mm时,二次枝晶臂间距最小（8.3μm）;本实验条件下,焊接速度对共晶Si形貌和尺寸的影响不明显,但是层内和层间共晶Si形貌特征差异明显。层内共晶Si形状为短棒状连续分布在α-Al枝晶间隙,其平均尺寸为0.7μm,长宽比约为2;层间共晶Si形貌为粗大颗粒状,尺寸1.1μm,断续分布在α-Al枝晶间隙。随热输入减小,直壁墙沿焊接方向和增材方向抗拉强度逐渐增加,热输入为140J/mm时焊接方向抗拉强度最大,其抗拉强度、屈服强度和延伸率为169MPa、75MPa和30.8%,热输入为140J/mm时增材方向抗拉强度、屈服强度和延伸率为171MPa、89MPa和27.3%;裂纹起源于共晶Si与Al基体界面,断口中有大量的韧窝,该断裂属于韧性断裂,热输入为140J/mm时直壁墙的成形质量和力学性能最优。采用电弧摆动+强制水冷工艺制备了 Al-12Si合金直壁墙（长320mm×宽10-12mm×高52mm）,研究了不同冷却条件对WAAM Al-12Si合金组织和力学性能的影响规律。研究表明,施加强制水冷后气孔率增加,二次枝晶臂间距减小,共晶Si尺寸减小。施加强制水冷后,成形直壁墙的气孔率由0.17%（空冷）增加到0.21%;层内二次枝晶臂间距由4.1μm（空冷）减小到3.4μm,层间的二次枝晶臂间距变化不明显;层内Si相平均尺寸由0.7μm（空冷）减小到0.4μm,长宽比由2.5（空冷）降低到2;层间Si相平均尺寸由1.4μm减小到1.1μm,长宽比为2;强制水冷对层内和层间Si相的形貌影响不明显,层内Si相的空间形貌为珊瑚状,层间Si相的空间形貌为近八面体颗粒状。强制水冷工艺提高了 Al-12Si合金直壁墙的屈服强度,降低其延伸率,对其抗拉强度的影响不明显。与空冷工艺制备的直壁墙相比,强制水冷工艺制备的直壁墙的屈服强度沿焊接方向提高了约45MPa,沿增材方向提高了约23MPa;与空冷工艺制备的直壁墙相比,强制水冷工艺制备的直壁墙的断裂延伸率沿焊接方向降低约5%,沿增材方向降低约30%;裂纹起源于层间α-Al与Si界面,拉伸断口中观察到大量韧窝,判断其属于韧性断裂。应用冷却条件A的Al-12Si直壁墙（H=30mm）具有最优的综合力学性能。为了进一步控制WAAM凝固组织特征,在利用WAAM方法成形Al-12Si合金直壁墙过程中施加层间FSP改性工艺。结果表明,WAAM+层间FSP改性工艺成形的直壁墙内部的焊接缺陷和枝晶组织特征被消除,组织得到明显细化。值得一提的是,原始WAAM的层内Si相在FSP作用下破碎成颗粒状,弥散分布在基体上,其Si相平均尺寸为0.6μm,长宽比为1.4;WAAM的层间粗颗粒状Si相的空间形貌和尺寸变化在FSP的作用下不明显,呈现出沿着搅拌区金属流动方向连续分布的特征。与WAAM工艺成形直壁墙相比,WAAM+层间FSP改性工艺成形直壁墙在屈

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   外加磁场   Inconel625合金   微观组织   力学性能   耐蚀性能  

摘要： Inconel625镍基高温合金在500℃以上的高温环境下具有出色的强度,抗氧化能力优异等特点,使其在航空航天、化学化工、海洋船舶、核能源等领域均有广泛的应用。但复杂的零件结构和昂贵的加工成本往往会制约Inconel625镍基合金进一步发展应用。冷金属过渡电弧送丝增材制造(Cold Metal Transfer Wire Arc Additive Manufacturing,CMT-WAAM)是一种以电弧为载能束,丝材为填充材料,材料逐层堆积制造金属部件的新型加工技术。相比于铸造、锻造等传统的成型制造方法,其具有成型灵活度高,设备成本低廉,材料利用率高以及热输入量低等特点,越来越受到制造行业的关注。因此,CMT-WAAM技术为低成本、高效率地制造性能优异的Inconel625合金提供了解决方法。本文基于冷金属过渡电弧送丝增材(CMT-WAAM)制造技术,对Inconel625合金的增材制造样品展开研究。主要研究了增材制造试样不同高度的组织对力学和耐蚀性能的影响,旨在提高增材制造成型零件的质量。另外为得到更好的Inconel625合金性能,采用外加磁场的方法来改善CMT-WAAM成型的样品的组织和力学性能。为优化CMT-WAAM制造过程中的焊接参数,研究了工艺参数送丝速度(WFS),焊接速度(TS)和焊枪角度(WTA)对单层单道焊缝成型的影响,并选取最佳参数进行多层多道的增材制造实验。分析了多层多道增材试样的组织特征。发现,不同沉积位置的微观组织各不相同,这主要是由于热量累积和冷却速度的差异而导致的。不同的微观结构也导致了沉积样的各向异性,随着高度增加抗拉强度增加,上中下各区域抗拉强度分别为691 MPa,683 MPa以及662 MPa,延伸率则呈现相反的趋势(上部:43.47%,中部:45.2%,下部:48.8%);另外,不同高度区域的耐蚀性能也各有不同,其中上部的耐蚀性能最好,下部的耐蚀性能最差。这些主要归因于不同的组织形态,晶间距,强化金属元素含量数量的差别。最后结合CMT-WAAM和磁场的特点,研究了外加辅助磁场对增材试样组织,力学性能的影响。分析了磁场对电弧形态以及熔池的影响,以及探究了对微观结构的作用机理。结果表明,增加磁场能够有效细化晶粒,改变组织形态取向,抑制合金元素偏析,从而改善增材样品性能。

关键词： MIG丝材电弧增材制造   回归模型   微观组织特征   力学性能  

摘要： MIG丝材-电弧增材制造(MIG Wire and Arc Additive Manufacturing,MIG-WAAM),相对于高能束增材制造,具有成本低、效率高的突出优点,在大尺寸、复杂结构件的快速成形中表现出明显的优势。WAAM是由线到面、体的逐层熔敷过程,熔敷过程对凹凸缺陷敏感,从而影响到成形过程稳定性,因此,需从工艺特性、成形和成性的角度综合研究,设计熔敷参数和选择主控参数。本文以脉冲MIG焊为热源,以φ1.2mm的316L不锈钢丝材为原料,进行了MIG-WAAM技术成形工艺的研究。探究了关键工艺参数对单层单道形貌质量的影响,结果表明:基板温度会对单层单道起弧端产生较为明显的影响,提高基板温度能显著改善成形时对起弧端的影响;层宽与成形电流的变化成正相关,层高随着成形电流的升高,存在短暂减小的现象;层宽和层高与成形速度的变化均呈负相关。采用响应曲面设计的方法建立了工艺参数与成形件几何尺寸的回归模型,得到了堆积电流、堆积速度对有效壁宽和层高的影响规律,通过方差分析与实验验证表明回归方程拟合良好,该模型能够预测工艺参数下的成形尺寸大小,也可得到特定熔敷尺寸下的熔敷参数。在上述实验基础上探究了成形参数对成形件表面起伏和熔覆效率的影响。分析了不同工艺参数下单道单层和多层单道的微观组织。当成形电流和成形速度不变时,铁素体尺寸会随着层间温度提高明显变大,部分板条状铁素体转为骨骼状铁素体;在层间温度不变的情况下,成形电流、成形速度的变化,成形件的微观组织均发生了变化,其根本原因在于工艺参数变化所引起的冷却速率的变化,随着冷却速率的降低,板条状铁素体会转变为骨骼状铁素体。研究了工艺参数与力学性能之间的关系,为熔敷参数的设计提供依据。层间温度的变化对成形件中间稳定过渡阶段的硬度几乎没有影响,但层间温度的提高,抗拉强度会逐渐变小;提高堆积电流,抗拉强度表现出逐渐变小;速度的变化对抗拉强度几乎没有影响,但在不同的工艺参数条件下,在垂直方向试样的抗拉强度均大于水平方向,呈现出各向异性。

关键词： 再制造   电弧增材制造   支持向量机回归   路径规划   数值模拟  

摘要： 随着国内制造业的不断发展和升级,再制造由于具有非常重要的社会意义和经济意义,得到了广泛的高度重视,多种再制造技术得到了发展。基于电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)的再制造技术,因其成本低、加工效率高和力学性能好等具有较大的技术潜力和应用前景。本文根据电弧增材成形的特点,以提高边缘成形精度为目标,围绕电弧增材再制造的路径规划问题完成了以下研究内容:建立了焊道熔宽和余高的支持向量机(Support Vector Machine,SVM)回归预测模型。首先,通过正交试验设计有效的减少了所需工艺试验的组合数,然后通过采用耦合模拟退火(Coupled Simulated Annealing,CSA)算法对支持向量机回归模型的超参数进行了优化,使得支持向量机回归预测模型可以以小样本的训练得到较好的预测精度,得到了比BP神经网络更好的预测结果。通过工艺参数预测得到的焊道尺寸为路径规划提供了基本参数。实现了复杂的非连通凹多边形截面轮廓区域的连续路径规划算法。连续路径可以避免多次起弧熄弧,且其熄弧点和起弧点重合还可以降低熄弧点凹陷的程度,提高成形精度。基于此,首先提出了凸多边形区域的连续路径规划复合扫描填充算法,并通过确定最优扫描方向减少焊道间拐角过多对成形造成的不良影响;然后通过近似凸分解对复杂非连通的凹多边形截面轮廓区域进行分解处理后得到凸多边形的子区域,对子区域应用复合扫描填充,最后通过改进的蚁群算法优化各子区域间的堆积顺序,有效的减少了空行程的长度。通过具体案例和试验验证了算法的有效性和可行性。对不同的堆积路径进行了数值模拟。通过数值模拟研究电弧增材再制造过程中不同的路径下的温度场、残余应力和变形规律,为再制造过程中路径的选取提供参考依据。

关键词： 电弧增材制造   Al-7Si-Mg合金   微观组织   力学性能   高温性能  

摘要： 国内最常用 Al-7Si-Mg 合金为 ZL101A(Al-7Si-0.35Mg)和 ZL114A(Al-7Si-0.6Mg),由于其优良的铸造性能、良好的机械性能及加工工艺性能,被广泛应用于航空、航天、兵器等领域。许多大型壳体部件均采用Al-7Si-Mg合金整体铸件,随着运载火箭及武器装备向大型化、轻量化、高承载、结构稳定、短周期制造等方向快速发展,致使零部件结构越来越复杂、尺寸越来越大、整体性能要求越来越高,现有的制造成形方法已经无法满足这种发展的需求。 增材制造技术的出现,颠覆了人们对传统结构设计及制造理念。对于大型金属部件来说,电弧增材制造技术(WAAM)具有显著的优势。金属丝材在高温电弧的作用下熔化,机器人等自动化设备携带焊枪实现路径重构,熔化的金属丝材逐层堆积而形成实体部件,堆积过程即为产品制造过程,成形过程中仅有熔池部分处于液相状态,与周围环境具有较大的温度差,成形合金具有细小均匀的微观组织和良好的机械性能。近年来,人们对铝合金WAAM技术开展了一些研究,包括热源工艺、增强工艺、路径算法及硬件系统等,而对材料的研究主要集中在现有的铝合金牌号,然而现有牌号的铝合金直接应用于WAAM工艺存在一系列的问题,如元素的烧损、成形合金强度低、性能各向异性等。为解决现有牌号的铝合金应用于WAAM工艺存在的问题,本论文以工程应用需求为研究背景,系统研究了 Al-7Si-Mg合金中主要合金元素Si、Mg、微量元素Ti、杂质元素Fe对WAAM成形合金组织、性能及气孔缺陷的影响。考察了选用直径为φ1.6mm丝材为原材料,热输入量对WAAMAl-7Si-0.6Mg成形合金组织与性能的影响。在原材料中添加Sc、Er,考察了Sc、Er提高WAAMAl-7Si-0.6Mg成形合金高温性能的可行性。主要的研究成果和发现: 采用WAAM-CMT+P工艺可以实现Al-7Si-0.6Mg(ZL114A)合金良好的成形,与铸造成形方法相比,WAAM成形合金具有良好的室温性能,并且高温性能稳定。直接沉积态WAAM成形合金具有较小的二次枝晶臂间距(SDAS),初晶组织及共晶硅相细小,经过热处理后,硅相球化,呈弥散分布。通过正交实验考察了热处理工艺参数对WAAM成形合金性能的影响,确定了最优的热处理制度,即固溶温度:540℃,固溶时间:12h;淬水温度:55℃;时效温度:175℃,时效时间:4h;应用该工艺制度对WAAM成形合金进行热处理,合金的横纵向力学性能无差异,抗拉强度为360MPa±2MPa、屈服强度为315±2MPa,伸长率是砂型铸造合金的2.1倍,为7.5%。随着温度的升高,WAAM Al-7Si-0.6Mg成形合金的断裂由韧性的穿晶断裂特征向韧性的沿晶断裂特征转变,合金中的共晶硅颗粒未发生团聚和长大。在250℃保温30min条件下进行拉伸试验,WAAM成形合金的抗拉强度为208±1MPa、屈服强度为203±2MPa、伸长率为6.25%。 原材料中合金元素Si、Mg及微量元素Ti的含量对WAAM Al-7Si-Mg成形合金的组织、性能及气孔缺陷均产生了显著影响。随着Si、Ti的增加,直接沉积态WAAM Al-7Si-0.6Mg成形合金中SDAS逐渐增大,经过T6热处理后合金的横、纵向组织趋于均匀,共晶硅颗粒有增大趋势。Si含量在6.5%-7.5%范围内,随着Si含量的增加,WAAM成形合金的抗拉强度和屈服强度略有增加,伸长率略有降低。Ti含量在0.05-0.20%范围内,随着Ti含量的增加,WAAM Al-7Si-0.6Mg成形合金的横纵向性能差异逐渐增大,当Ti含量为0.112wt.%,WAAM成形合金的横纵向差异最小,表现出良好的机械性能。考察了 Mg含量为0.35wt.%(ZL101A)、0.60wt.%(ZL114A)对WAAM成形合金的影响,Mg含量的增加,导致WAAM成形过程中Mg的烧损量增大,WAAM成形合金表面颜色变深,直接沉积态WAAM成形合金的SDAS增大。在低Mg的WAAM成形合金中杂质Fe主要以细小针状β-Al5FeSi相存在,而在高Mg的WAAM成形合金中杂质Fe主要以细小短棒状π-Al8Mg3FeSi6相存在。WAAM Al-7Si-Mg成形合金中的缺陷主要是分散的数十微米级的类球形氢气孔缺陷,随着Ti、Si的增加,氢在合金中的有效扩散系数降低及Mg的增加致使原材料中氢含量的增加,导致了 WAAM成形合金形成气孔的倾向增大。 杂质元素Fe在直接沉积态WAAM Al-7Si-0.6Mg合金中主要以亚稳态的Mg-Si相和π-Fe相的混合相存在,其组成为Al36Mg3.9FeSi7.4,经过固溶处理后,发生了Mg2Si脱溶而形成π-Fe相(Al8Mg3FeSi6);随着Fe含量的增加,沉积态和T6热处理后的WAAM成

关键词： 电弧增材   高频振动   2A12铝合金   组织性能   残余应力  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术有着样件致密度高、设备成本低、成形效率高、可成形大尺寸结构工件等优点,在航空航天、武器装备等领域有着广阔的应用前景。但存在工件层间焊道黏合度不高、气泡倾向严重等问题。本文在电弧增材制造工艺的基础上引入高频振动工艺,研发复合增材制造工艺,通过增强沉积层的热发散来达到控制气泡数量和面积、抑制热裂纹和细化晶粒的效果,从而提升工件的整体性能;研发热振复合工艺,改善均化程度,使工件内部残余应力减少乃至消除。首先,复合增材制造工艺通过双头螺纹杆将振动仪和实验所用基板连接,在成形工件的同时对基板施加实时接触式高频振动。实验结果表明工件各区域性能都随着高频功率的增加而增大,随着高频频率的增加形成增-减-增的变化曲线,在设备可调控参数范围内,高频振动功率20W,频率996Hz时复合制造工艺成形工件的抗拉强度最佳,工件平均抗拉强度达到了247.56Rm/MPa,较电弧增材制造的工件提升了36.07%。其次,研究热振复合工艺对工件内部残余应力的影响。数据分析发现热处理后工件X和Y方向上的残余应力整体较大,Y方向几乎在100MPa以上,应力集中表现的尤为明显;而热振复合工艺处理之后工件X和Y方向上残余应力值均在±50MPa范围,整体残余应力值较低,应力均化效果表现的十分明显。最后,选取航空航天领域所需零部件中具有中小型、复杂、多结构特征的旋转框架薄壁工件,对复合制造工艺和复合处理工艺的实际应用进行实例验证分析。观察发现复合制造工艺成形的旋转框架经热振复合工艺处理和铣削加工后不存在大型缺陷,表面看不到裂纹、变形和崩坏区域,整体成形效果良好,精度较高,符合理想化工艺测定的应力均化效果。

关键词： Cu基记忆合金   电弧增材制造   粉芯丝材   组织性能   纳米掺杂  

摘要： 形状记忆合金增材制造是智能材料领域重要的研究主题。本文针对形状记忆合金增材制造过程中存在较大的记忆功能损失问题,在综述国内外相关研究现状及课题组前期研究的基础上,提出了“以高沸点外皮包裹低沸点合金元素粉末的粉芯丝材作为增材制造形状记忆合金用材”的研究思路。以具有形状记忆性能优良、价格低廉、相变点可调范围宽等特点的Cu基记忆合金为对象,开展了 Cu基记忆合金粉芯丝材制备与其电弧增材制造特性的研究,旨在为丰富和发展增材制造用材提供技术支撑,同时也推动Cu基记忆合金在工程实际中的进一步广泛应用。本文完成的主要工作和取得的研究结果如下:(1)建立了圆管法制备三元合金粉芯丝材不同填充率下原料配材方案的设计模型。通过分析粉芯丝材金属圆管和填充粉末满足的“等质量比”、“等体积”以及拉拔工艺中的“填充粉末密实度”等要求,建立圆管法制备三元合金粉芯丝材不同填充率下原料配材方案的设计模型,并将该模型应用于Cu-Al-Ni记忆合金粉芯丝材的粉末填充工艺中,结合材料实际获取条件得到本文实验条件下理论填充率为20%、目标外径Φ2mm的15gCu-14Al-4Ni记忆合金粉芯丝材的材料实际参数。(2)分析了 Cu基记忆合金粉芯丝材拉拔工艺过程。建立了 Cu基记忆合金粉芯丝材多道次拉拔过程有限元模型,研究了拉拔工艺参数对粉末填充率稳定性的影响和拉拔变形过程中粉芯丝材等效应力应变和各向残余应力的分布情况,研究发现更大的道次变形量表现出更低的应力应变梯度和更平缓的各向残余应力变化趋势,同时得出了满足本文研究所需的Cu基记忆合金粉芯丝材的制备工艺参数,即模具半锥角δ为4°、定径带长度l为3.5mm、拉拔速度v为500mm/s、平均道次变形量为14%。(3)优化了粉芯丝材电弧增材制造Cu基记忆合金的工艺参数。建立了 Cu基记忆合金粉芯丝材电弧增材制造多层单道有限元模型,研究了不同沉积层各特征点的温度变化规律,并对Cu基记忆合金粉芯丝材电弧增材制造工艺参数进行了优化;研究表明,在多次的熔融沉积过程中,各沉积层温度随堆积的进行不断攀高,顶层即第三层最高温度接近3500℃。同时,本文实验条件下的粉芯丝材电弧增材制造Cu基记忆合金最佳工艺参数为沉积速度为6mm/s,沉积电流为170A,层间等待时间为30s。(4)考察了粉芯丝材电弧增材制造单道三层Cu-Al-Ni记忆合金的微观组织,并基于组织特征对其记忆性能进行了分析,同时初步探索了不同含量纳米Ni掺杂对粉芯丝材电弧增材制造Cu基记忆合金的调控作用。研究表明,电弧增材制造Cu基记忆合金存在严重的成分偏析,均匀化退火可有效消除成分偏析但合金晶粒粗大,此外淬火态下马氏体形貌不及预期;纳米Ni掺杂,有利于消除沉积态成分偏析,晶粒得到细化,且淬火态下马氏体变体取向一致,界面清晰可辨,其中以0.5wt.%纳米掺杂效果最佳。