关键词： 电弧增材制造   316L不锈钢   增材质量评定   成型效率   辅助气体工艺  

摘要： GMAW电弧增材制造以成本低和效率高等优势被广泛应用于金属制造等领域,但其较大的热输入影响其成型形貌和性能并限制其成型效率的进一步提高,316L不锈钢GMAW电弧增材制造有多种工艺和电弧模式,提升其成型效率和质量尚缺乏充分研究。本文将316L不锈钢作为试验材料,以提高增材制造的成型效率为目标,在建立电弧增材制造质量定量综合评定系统的基础上,采用MIG和CMT两种工艺,从单丝工艺参数、双丝不同模式及辅助气体工艺,系统地研究了提高成型效率和性能的工艺优化方法。论文的主要研究内容如下:（1）综合利用电参量波形、成型形貌和显微组织的图像分析以及力学性能表现,建立了增材制造的多信息融合定量化评定系统,为增材制造的工艺试验研究提供制件成形质量的评定工具。采用沉积过程稳定性、成型质量、成型效率和性能四个一级和多个二级评定指标构建了电弧增材制造质量的评定标准与准则体系;利用统计学方法提取电压和电流概率密度集中度K值;基于横截面图像识别采用截面法、差值法和粒子测距法提取增材制造件成型效率、三个方向的成型粗糙度Sa、Sb和Sc和微观组织特征;基于模糊量化方法获得成型缺陷和弯曲性能等特征值,对这些特征值进行归一化处理,实现对增材制造质量的多指标融合定量综合评定。（2）利用MIG焊开展了316L不锈钢单丝电弧增材制造的多工艺参数对比试验,结合评定结果揭示上述工艺参数对成型、晶粒生长和性能的影响机理,在保证性能达标的条件下,着重提升“效率”,优化工艺参数。结果表明:底部渐变减小电流可稳定沉积过程并优化底部成型,而增大扫描速度或冷却时间可以降低热输入从而提高性能。直径1.2mm焊丝高速电弧加强焊的有效沉积率高于其它电弧模式,且比0.8mm焊丝提高约82.2%。在此工艺基础上进行相同电源功率的单双丝对比试验,结果表明:双丝制件的总沉积率达到1.15kg/h,而有效沉积率达到0.82 kg/h,比单丝件提升约23.2%。由于双丝填丝量的增加以及电弧力对熔池的搅拌作用,使中上部显微组织细化,制件的平均拉伸强度提高20.4MPa。所有试样的显微组织呈现柱状晶形态,由于前层对后层的预热及后层对前层的热循环处理,使底部硬度大于中上部,并且在拉伸性能上都具有各向异性,抗拉强度各向异性最高达14.38%,其断裂微观形貌为典型的韧性断裂。（3）探究双电弧相互干扰的影响机理,提出双丝采用同相位电流及非同步起弧和收弧的工艺方法,从而降低电弧相互干扰和改善增材制造样起弧和收弧端成型。通过开展对CMT焊不同电弧模式的沉积及拉断金相分析试验,揭示CMT+P模式对熔池的搅拌作用及电弧增材制造拉伸各向异性断裂机理,验证了该模式不仅有利于成型,又可连续沉积提高效率。结果表明:水平拉伸使柱状晶沿垂直于主轴方向被拉宽,晶粒产生变形,使断裂发生在晶界处;而垂直拉伸的柱状晶未发生明显变形,断裂发生在层间重熔胞晶处,说明水平方向塑性优于垂直方向。而柱状晶晶界是拉伸疲劳的薄弱环节,故具有更多晶界的水平拉伸试样的拉伸强度小于垂直强度。通过开展CMT+P不同速度的沉积试验,进一步得到双丝电弧增材制造316L不锈钢良好成型的送丝速度与扫描速度比例关系约为4.2,当扫描速度为120cm/min时,最高沉积率和有效沉积率分别为5.41kg/h和3.91kg/h。（4）构建双丝CMT+P不锈钢电弧增材制造双向辅助气体新工艺试验平台。从单层单向辅助气体沉积到多层双向辅助气体沉积,探究辅助气喷嘴角度、辅助气流量和辅助气喷嘴距离基板高度对双丝316L不锈钢电弧增材制造熔池的冷却和搅拌作用机理。在此基础上,为进一步探究辅助气体工艺参数与成型和性能间关系,利用评定系统和BBD响应曲面法建立沉积综合评定结果与辅助气体三个工艺参数间的回归方程。经模型预测得到最优辅助气体工艺参数为辅助气喷嘴角度17.4°、气体流量25L/min和喷嘴高度10.44mm。利用最优辅助气体工艺参数开展的50层沉积试验表明:由于受辅助气体气流外力的搅拌和冷却作用,与无辅助气体工艺制件相比,最优辅助气体工艺制件的微观组织得到细化,其有效沉积率、硬度和最大抗弯曲力分别提升约24%、6.85%和12.96%,同时各向异性减弱,其中抗拉强度的各向异性仅为3.7%。当送丝速度和扫描速度分别提高至5.5m/min和1.5m/min,最优辅助气体工艺沉积的50层制件成型良好,其平均硬度和抗拉强度分别达到167±5.01HV和521.45±10.25MPa,总沉积率和有效沉积率分别高达5.95kg/h和4.61kg/h,从而实现316L不锈钢的高效电弧增材制造。

关键词： 电弧增材制造   工艺   扫描路径   变形量   三维测量  

摘要： 铝合金过渡端框架是分级火箭过渡段的主承力构件,用于实现火箭级与级之间的连接,在火箭发射过程中起着重要作用。目前主要是通过将锻件毛坯进行机加工减材的方式来生产过渡端零件,生产效率低,生产成本高,已经无法满足我国运载火箭高频率、多种类的使用需求。电弧增材制造是一种以电弧为热源的新型制造方法,具有效率高、成本低等一系列优点,能够很好的满足尺寸大、结构复杂金属零件的制造,近年来已近在航空航天等领域取得了较大的发展。本文主要是对2139铝合金丝材运用电弧增材制造方式打印过渡端框架的“控形”进行研究,并打印出尺寸合格的过渡端构件。在打印过渡端框架之前,需先打印出符合尺寸要求的过渡端单元体结构。首先研究在不同工艺下单层单道、单层多道的成形尺寸和质量变化规律。在电流为80-150A范围内进行单层单道堆积时,随着电流的增大,堆积金属的熔宽呈逐渐增加的趋势,余高则保持在3.5mm范围附近,且在120A时临近最大值。运用二次回归通用旋转组合设计方法建立了单层多道堆积金属层高的数学模型公式,其中电流为正相关,枪头移动速度和偏移量则为负相关,对于层高的影响力大小为枪头移动速度>偏移量>电流。根据获得的层高数学模型,选取合理的堆积层高,运用相应的工艺参数打印过渡端单元体结构,运用三维测量技术检测出尺寸误差在±1.983mm内,有足够的加工余量,满足尺寸要求。根据单元体的结构特点,研究了不同切片工艺和扫描路径对于基板和构件变形的影响,选出变形量较小的工艺和路径。(1)在打印相同尺寸,高度为20mm的长方形金属块时,分别选择层高3.33mm、4mm、5mm三种打印方式,发现切片层高为5mm时,基板产生的变形量最小,为3.1776mm;(2)打印环形构件时,与由内到外的扫描方式相比,由外到内的扫描方式基板整体变形量更小,但由外到内扫描方式造成在接近熄弧点处角点变形量更大,造成整体基板变形不均匀;(3)加强板部分的扫描方式中轮廓偏置扫描起弧次数较多造成基板变形量较大。且该扫描方式拐角较多,造成打印成型质量较差,因此在打印时应选用圆弧扫描方式更为合理。运用变形量最小的工艺和路径打印单元体,整体变形量小于0.9mm。最后,打印铝合金过渡端框架构件,根据构件的结构特点进行分区打印。运用三维测量设备和处理软件Geomagic Qualify对每一打印区域进行尺寸测量。测得过渡端框架整体误差在±2.1268mm内,满足零件加工和使用要求。

关键词： 电弧增材制造   RMD545   热过程   组织性能   成形工艺  

摘要： RMD545作为一种耐磨堆焊药芯焊丝,适用于5CrNiMo、H13等材质的中、小型锤锻模的整体增材制造和大型机锻模具型腔底部的修复制造,但目前没有发现针对该焊丝系统的研究工作。本文提出采用电弧增材制造的方法,对RMD545增材制造的成形工艺和组织性能进行深入研究,为模具钢的增材修复提供理论基础,延长模具使用寿命,拓展增材制造的应用范围。首先搭建了机器人试验平台,开展了单层单道熔敷试验,研究了熔敷电流和行走速度对熔敷成形质量的影响规律,试验表明,当熔敷电流在100～140A时,金属冷却速度较快,熔敷道易出现严重驼峰现象,当熔敷电流在150～200A时,熔敷道成形良好。在良好成形区间内,研究了行走速度和熔敷电流对熔敷成形尺寸的影响规律,结果表明熔敷电流和行走速度对熔敷宽度影响显著。对比了不同熔敷电流下熔敷道组织,随着熔敷电流的增大,金属冷却速度降低,马氏体组织的转变量逐渐减少,贝氏体组织的转变量逐渐增多。利用有限元软件对多层单道熔敷热过程进行数值模拟,对温度场的研究表明,随着熔敷层数的增加,成形件散热条件变差,热累积严重,高温区域面积逐渐增加。通过对熔敷层中点热循环曲线的提取,发现后一层对前一层有加热重熔作用,且随着熔敷层数的增加,熔敷层中点热循环曲线峰值温度逐渐降低。熔敷层中点热循环曲线中T8/5和T8/3随着熔敷层数的增加而逐渐增大,进一步说明了成形件熔敷过程中热累积现象逐渐加重,并对熔敷金属组织的转变产生影响。最后在前面工作的基础上选取了熔敷电流160A,行走速度5mm/s的工艺参数进行了多层单道熔敷试验,得到的成形件表面良好,无明显缺陷。从底部到顶部的组织因热过程不同而有所差异,依次为:针状铁素体+回火马氏体+少量贝氏体、马氏体+贝氏体+少量针状铁素体、板条马氏体。成形件硬度在350～500HV之间,与组织分布相对应,屈服强度为995MPa,抗拉强度为1197MPa,延伸率为18.8%,表现为韧性断裂特征,满足模具修复的性能要求。

关键词： 电弧增材制造   疲劳性能   铝合金   裂纹扩展  

摘要： 电弧增材制造是以电弧作为热源将焊丝熔化，采用逐层沉积的方式实现零件的近净成型。电弧增材件由于在成形过程中经历多次热循环会引起残余应力和成形缺陷，例如气孔和未融化颗粒等。因此，探索电弧增材件的微观结构、疲劳裂纹萌生和扩展机制对于保证其安全应用具有重要意义。本文采用试验和理论相结合的方法，研究了5356铝合金电弧增材件的疲劳性能，提出了基于断裂力学适用于电弧增材制造件的疲劳寿命预测方法。　　首先，对5356铝合金电弧增材件进行了包括金相组织分析、电子背散射衍射试验、气孔分析以及采用非接触式全场应变测量系统进行拉伸变形过程分析在内的基本材料性能测试，了解了5356铝合金电弧增材件不同区域的微观结构特征，获得了材料的基本静态力学性能。5356铝合金沉积态试样的显微组织具有明显的周期性变化特征，沉积区主要表现为粗大长条形组织，而层带区组织表现为细小等轴晶。成形试样气孔率约为0.22％，气孔平均直径约为42μm，气孔形貌主要为内壁凹凸不平型，沿层带区分布。焊接方向和增材方向的抗拉强度存在各向异性，焊接方向抗拉强度达到了273.3MPa。　　其次，采用MTS858电伺服疲劳试验机对5356铝合金电弧增材件进行了恒幅加载下的连续疲劳试验及中断疲劳试验，获得了不同应力水平下的疲劳寿命及表面裂纹扩展形貌。采用扫描电子显微镜对疲劳断口进行分析。当循环寿命比为4％左右时，已经有多条小裂纹萌生。主裂纹在疲劳寿命的前期或者中期才开始萌生和扩展，不同加载应力对主裂纹萌生和扩展造成影响。随着循环次数的增加，最初萌生裂纹的长度不再变化，并伴随新裂纹的产生，裂纹数量不断增加。后面新萌生裂纹的长度随着循环次数的增加也不再变化。在疲劳的前期以多裂纹萌生为主要损伤形式，疲劳的后期以主裂纹的扩展行为导致试样的最终断裂。　　此外，通过激光共焦显微镜测试了疲劳过程中表面粗糙度的变化情况，分析粗糙度对疲劳性能的影响。采用DIC(Digital Image Correlation)技术对疲劳过程中应变变化特征进行了分析。疲劳过程中最大应变场发生了迁移，这可能是由于在疲劳的初期，产生了多个小裂纹，在小裂纹的附近产生了应变集中，随着循环加载的进行，主裂纹产生，应变集中区域往主裂纹位置迁移。通过电子背散射衍射试验进行了裂纹扩展的晶体学分析。疲劳裂纹倾向于在靠近沉积区粗大柱状晶界处萌生，裂纹扩展呈穿晶和沿晶混合扩展模式。裂纹尖端相邻晶粒的取向差过大，会引起裂纹扩展路径的偏转。　　最后，考虑不同区域晶粒尺寸对疲劳性能的影响，基于Elber裂纹闭合效应，修正了有效应力强度因子，建立了适用于电弧增材件的疲劳寿命预测公式。

关键词： 电弧增材制造   铝青铜   超声振动   组织   力学性能   腐蚀性能  

摘要： 铝青铜合金具有良好的强度、耐腐蚀性能和耐磨性能,在船舶装置、海水处理装置等结构中具有广泛应用前景。对于形状较为复杂的大型整体结构件,传统的加工方法主要采用铸造、锻造、焊接、螺栓连接以及机械加工等,这使得材料利用率低、制造成本高且生产周期长。增材制造技术是近年来快速发展的先进制造技术之一,电弧增材制造技术（Wire arc additive manufacturing,WAAM）因效率高、成本低、致密度高等优势,成为大型构件制造的一种潜在可行方案。电弧增材制造的结构常因定向凝固的柱状晶组织而导致力学性能的各向异性,而在金属凝固过程中,适当施加适当的超声振动（Ultrasonic vibration,UV）,可以击碎初生的晶核,提高形核率,抑制晶粒的生长,从而获得均匀分布且大小均匀的晶粒。因此,本文在电弧增材的过程中,引入超声振动,以期消除或抑制增材过程中易形成的柱状枝晶,细化晶粒,优化力学性能的各向异性。本文研究了不同层间温度下（连续增材、400℃、100℃）和有无超声振动对WAAM制备的铝青铜（Cu-8Al-2Fe-2Ni-2Mn,wt.%）薄壁试样的组织特征（包括宏观结构,微观结构,元素分布和相组成）、力学性能（包括纳米硬度和拉伸强度）和腐蚀性能的影响。可以得出以下结论:1.在未引入超声振动的电弧增材制造Cu-8Al-2Fe-2Ni-2Mn合金中的微观组织主要表现为3个区域:前三层微观组织是由基材树枝晶转变为柱状晶的区域;第三层到最后一层的稳定区域,其微观组织主要是垂直于基板方向生长的均匀柱状晶;顶部区域形成了约350-400μm厚度转向枝晶。不同层间冷却温度下均会形成定向生长的柱状枝晶,且二次枝晶数量会随着层间冷却温度的降低而减少,连续增材、层间冷却温度400℃和层间冷却温度100℃条件下柱状枝晶的宽度依次为33.7±3.2μm、28.5±4.2μm、21.6±3.6μm。2.在引入超声振动后,连续增材和层间冷却温度400℃试样中柱状晶宽度减小,分别为31.2±3.1μm和26.8±3.1μm,且无明显的二次枝晶。在层间冷却温度100℃试样中,获得了不规则分布的胞状晶,抑制了柱状枝晶的形成,其尺寸约18.6±2.6μm。此外,超声振动改善了熔池的铺展性,在层间冷却温度100℃试样中,增材区域的有效利用面积高达84.8%。3.明确了电弧增材制造Cu-8Al-2Fe-2Ni-2Mn合金的相组成,即在枝晶间包含基于Fe3Al的球状κII相和基于Ni Al的层状κIII相,而κIV相（富铁）在α-Cu基体中不均匀成核,并且在引入超声振动后合金中观察到孪晶和位错。4.不同参数下枝晶和α-Cu基体的微观硬度,枝晶与α-Cu基体相比,两者的纳米硬度和模量均有所差异,枝晶的纳米硬度和模量均表现出更高的数值。通过降低层间温度和引入超声振动,可以提高α-Cu基体的纳米硬度和模量。在超声振动+层间冷却温度100°C条件下,合金在不同区域的纳米硬度和模量均表现得更加均匀,其纳米硬度分布在2.11～2.28GPa,模量分布在122.4～129.4GPa。5.层间冷却温度和超声振动对拉伸性能的影响,拉伸性能在层间冷却温度100℃、超声振动+层间冷却温度400℃试样中均表现出各向异性,即水平方向的拉伸强度优于竖直方向,且水平方向的拉伸强度会随沉积高度的增加而降低,延伸率呈现相反的结果。超声振动+层间冷却温度100℃下拉伸性能的各向异性得到有效控制,抗拉强度、屈服强度和延伸率的均值分别为517.0±0.89MPa,226.2±0.95MPa和41.01±0.29%。拉伸断口均表现出塑性断裂的特征,且随着层间冷却温度的降低,拉伸断口从“滑移分离”往“韧窝”方向发展。6.不同参数下电弧增材制造Cu-8Al-2Fe-2Ni-2Mn合金的腐蚀性能。自腐蚀电流密度Icorr随层间冷却温度的降低,而依次降低;同时在相同层间冷却温度下引入超声振动的Cu-8Al-2Fe-2Ni-2Mn合金均显示出更低的自腐蚀电流密度Icorr,结果表明降低层间温度及引入超声振动均有利于提高合金的耐蚀性。同时超声振动+层间冷却温度100℃条件下该合金具有更低的自腐蚀电流密度Icorr,与连续增材的试样相比仅为它的18.2%,并表现出最佳耐蚀性。而连续增材试样其自腐蚀电流密度Icorr达到1.6132×10-5A/cm2,表现出最差的耐蚀性能。超声振动+层间冷却温度100℃的Cu-8Al-2Fe-2Ni-2Mn合金在浸泡腐蚀试验中的腐蚀速率随着温度升高而加快,20℃、40℃、60℃腐蚀速率分别为0.0405mm/a、0.0501mm/a、0.0803mm/a,均体现出良好的耐蚀性。腐蚀表面生成Cu2O和Al2O3对铝青铜基体起到一定的保护作用。合金的主要腐蚀产物为碱式氯化铜Cu2（OH）3

关键词： 冷金属过渡   丝材+电弧增材制造   钛合金   铝合金   反应层  

摘要： 钛/铝异种材料构件在航空、航天、交通运输和武器装备等领域的应用越来越广泛,结合工程应用需要,开展在CMT电弧增材制造条件下,钛与铝异种材料结合机理与规律的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。首先,开展了Ti-6Al-4V钛合金与Al-5Si铝合金异种材料结构的CMT电弧增材制造试验研究。研究发现:Ti-6Al-4V/Al-5Si异种材料样件的钛/铝反应层包括Ti7Al5Si12连续反应层和Ti(Al1-xSix)3非连续反应层。在样件断裂面检测到Ti7Al5Si12和Ti(Al1-xSix)3,为了避免反应层形成含Si金属间化合物,在选择铝合金焊丝时,应尽量选用Si含量较低的焊丝。其次,开展了Ti-6Al-4V钛合金与Al-6.25Cu铝合金异种材料结构的CMT电弧增材制造试验研究,探索了钛合金与铝合金的堆积顺序对样件成形和反应层的影响规律。研究发现:先堆积钛合金时,钛合金和铝合金成形良好,钛合金与铝合金结合方式为“熔钎焊”结合,在反应层形成TiAl3;先堆积铝合金时,钛合金与铝合金的界面存在孔洞,且界面附近的钛合金成形粗糙,钛合金与铝合金结合方式为“熔化焊”结合,导致在反应层形成TiAl3、TiAl和Ti3Al。结果表明:先堆积钛合金更适合钛/铝异种材料CMT电弧增材制造。再次,开展了不同CMT模式堆积铝合金对钛/铝反应层的影响机理与规律的研究。研究表明:相同送丝速率条件下,铝合金使用直流CMT（Direct current CMT,DC-CMT）和变极性CMT（Variable polarity CMT,VP-CMT）模式,反应层由TiAl3组成,厚度约为10μm。铝合金使用直流CMT脉冲复合（CMT plus pulse,CMT+P）模式,反应层由TiAl3、TiAl和Ti3Al组成,厚度约为2 mm;铝合金使用变极性CMT脉冲复合（Variable polarity CMT plus pulse,VP-CMT+P）模式,反应层由TiAl3组成,厚度约为1 mm。结果表明:铝合金使用DC-CMT和VP-CMT模式更适合钛/铝异种材料CMT电弧增材制造。最后,探究不同铝合金堆积层数对钛/铝反应层的影响规律。研究表明:在DC-CMT模式下,随着层数增加,样件中长条状的TiAl3相由垂直于钛合金表面变为随机分布;在CMT+P模式下,初始反应层的基体为TiAl,并有针状Ti3Al形成,随着层数增加,反应层中形成连续薄层状TiAl3和长条状TiAl3。

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   单道单层   单道多层  

摘要： 文中采用冷金属过渡(CMT)技术,围绕船用高强钢的电弧增材制造(WAAM)开展研究.分析不同比例的保护气体对单道单层形貌尺寸的影响.结果表明,单道单层的润湿铺展能力随着保护气中CO2含量的增加而提高,并建立了能够准确预测80%Ar+20%CO2混合气体保护下单道单层截面轮廓的全周期余弦函数模型.依据单道多层电弧增材的成形特点,利用面积关系并根据几何形貌建立了单道多层抬升量h的预测模型,抬升量h预测值的相对误差不超过3.50%.通过建立抬升量预测模型,为单道多层的电弧增材成形控制提供了理论支撑.

关键词： 激光增材   电弧增材   显微组织   力学性能  

摘要： 结合电弧增材制造沉积率高、成本低和激光增材构件质量高的优势,提出了电弧增材与激光增材复合的制造技术,用于高效、高质量GH4099材料零件制造。通过在电弧增材基板上进行激光直接沉积实验,对比了两种增材制造工艺所得涂层的显微组织和力学性能;探究了两种增材构件界面处的显微组织与力学性能。结果表明:电弧增材与激光增材的显微组织均沿沉积方向外延生长,且激光增材GH4099的显微组织要细于电弧增材的。在两种增材构件的交界处,当激光增材沉积方向与电弧增材沉积方向平行时,整体构件显微组织具有同一生长方向;并得到相比于垂直于电弧增材沉积方向时更高的力学性能。

关键词： 机器人焊接   电弧增材制造   质量控制   组织性能  

摘要： 金属材料增材制造技术是当前先进制造领域前沿热点之一。相比于电子束、激光2种增材制造技术,电弧增材制造技术具有成形效率高和成本低等优点。围绕当前机器人电弧增材研究平台、电弧增材成形形貌控制和成形件的组织性能分析等内容,阐述电弧增材制造技术的研究现状与主要研究方向,探讨电弧增材制造技术存在的缺陷以及未来发展需要聚焦的问题。

关键词： 铝/钢焊接接头   BC-MIG   增材制造   微观组织   显微硬度  

摘要： 选用直径1.2 mm的4043铝焊丝为增材材料,2 mm厚的Q235镀锌钢板为基板,研究BC-MIG电弧增材制造工艺.将得到的铝/钢焊接接头与6061铝合金板材进行焊接,得到的T形材结构成形美观.利用光学显微镜和显微硬度仪分别对接头的组织形貌和硬度分布进行分析.结果表明,由于温度梯度和冷却速率的差异,界面层处铝侧为竖直向上生长的树枝晶状组织,中部呈现结晶方向相对杂乱的晶枝结构,顶端组织晶粒较为细小且生长无方向性.沿着钢母材区域至界面中间层,再至铝合金区域,接头硬度先增加后减小至趋于平缓,在铝/钢界面结合层区域硬度达到最大142 HV.