关键词： Al-Mg合金   电弧增材制造   原位合金化   显微组织  

摘要： 电弧增材制造具有设备投资少、沉淀效率高、材料利用率高和运行成本低等优点。铝合金在电弧增材制造过程中,由于周期性的热输入会导致粗大的柱状晶粒和周期性裂纹等影响性能的微观结构的形成,垂直于层道方向性能低于沿增材方向的。本文拟在CMT增材制造过程中加入合金化元素,与铝基体原位生成异质形核核心,促使柱状晶-等轴晶晶形转变和晶粒细化,以期改善铝合金增材制造试样力学性能。首先对单道单层成形规律,以及层间停留时间和粉添加方式对直壁墙试样形貌和组织的影响进行了研究。实验结果显示,随着送丝速度增加和增材速度降低,单层单道熔敷金属铺展性变好,成形高度减小,成形宽度增大;层间停留时间60s-150s时,成形形貌良好;涂覆添加的成形形貌和组织细化效果要优于送粉器粉添加方式。在此基础上研究了不同种类粉末添加对Al-Mg合金增材制造组织性能的影响。相比于未添加直壁墙试样,添加Ti粉、TiH粉和混合粉（Ti:B4C=5:1）后,有Al3Ti相生成;三者层间组织发生柱状晶-等轴晶转变,层中心均为等轴晶组织,层间和层中心晶粒显著细化。添加Ti粉试样沿增材方向的抗拉强度和延伸率增加21MPa和3.18%,在垂直于层道方向上增加26MPa和6.97%,两个方向拉伸性能差异减小。添加TiH和混合粉试样拉伸性能明显降低。综合考虑组织性能改善效果,进一步研究了Ti粉原位合金化对Al-Mg合金增材制造组织和性能的影响。与未加试样相比,在0.115-0.328%范围内随Ti含量增加,层间柱状晶向等轴晶转变,层间和层中心晶粒明显细化。Ti含量为0.115%-0.136%,沿增材方向抗拉强度增加4-7MPa,延伸率略有降低;垂直于层道方向抗拉强度、延伸率大幅增加。Ti含量在0.115%-0.26%时,Al-Mg合金直壁墙试样组织明显改善,沿增材方向抗拉强度小幅增加,延伸率略有降低;垂直于层道方向抗拉强度、延伸率大幅增加;沿增材方向和垂直于层道方向的拉伸性能更加均衡。

关键词： ZL114A   电弧增材制造   磁场   焊缝成形   显微组织   力学性能  

摘要： ZL114A是一种具有高强、高韧性特点的铸造铝合金,被广泛应用于兵工、航空、交通等现代制造业中,因此对ZL114A合金的焊接工艺优化研究显得尤为重要。本文对该铝合金的电弧增材工艺及组织性能进行了分析研究,在外加磁场的作用下进行ZL114A合金的电弧增材制造实验,通过改变磁场参数、焊接参数等工艺参数,获得不同参数下的铝合金增材试样。对增材过程中的电弧形态,以及焊后增材试样的表面成形、微观组织及力学性能进行分析,找出不同焊接工艺参数和磁场参数对增材试样成形和组织性能的影响规律,优化ZL114A电弧增材制造工艺。对焊后ZL114A增材试样进行固溶时效处理,与热处理前的增材试样进行对比后,发现热处理后的试样金相组织中原本连续的黑色共晶硅相大量溶入α-Al基体中,余下的共晶硅相呈椭球状和球状零散地分布在晶粒间隙中,组织成分均匀,并且经过热处理后增材试样力学性能大幅提升。引入外加磁场后,ZL114A电弧增材制造试件表面成形及力学性能得到明显改善。通过高速摄像机观察焊接电弧形态,发现引入磁场后磁场会对电弧产生压缩,电弧由原来的锥形变为上端收缩,下端发散的形态。并且在磁场作用下焊接的试样外观成形明显优于无磁场作用下的试样,表面相对平整,减小了“堆砌”现象,焊道条纹平直细密,焊道宽度增加,层高减小。从微观组织上看,引入磁场后晶粒得到细化,使得试样在力学性能上也有明显的提升,与未加磁场试样相比,在励磁电流1A、励磁频率40Hz时,试样抗拉强度提高了10.7%,达到352MPa。送丝速度会影响降低增材制造单位时间内的堆积量,送丝速度越快,增材试样就越宽,而堆积高度没有太大改变。在送丝速度3.4～6m/min的变化范围内,材料的力学性能在3.4m/min时最大达到361MPa,平均硬度达到109.25HV,但是硬度的波动范围较大,而送丝速度为6m/min的试样硬度波动较小,硬度分布更加均匀。改变层间等待时间进行对比试验发现,等待时间0s的试件焊缝熔宽要大一些,但表面成形不如30s和120s的试件。等待时间30s和120s的试件在力学性能上基本一致,抗拉强度达到342MPa,平均硬度达到97HV,相比等待时间0s的试件要高一些。

关键词： 电弧增材制造   异质多丝共熔   高强铝合金   微观结构   力学性能  

摘要： 高强铝合金广泛应用于航空领域,如机身蒙皮、机身纵梁、下翼蒙皮、翼盒内翼梁等。但航空整体结构件尺寸大、结构复杂,给传统等材、减材工艺造成了巨大挑战。电弧增材制造（WAAM）以连续线作为基本构型单元,成本低、熔敷效率高、材料去除率低,且成形尺寸不受成型缸限制,特别适合于大尺寸、形状复杂构件的快速成形过程,在航空领域具有巨大的应用潜力与优势。然而,高强铝合金强度高、塑性差,直接拉拔成丝较为困难,电弧增材制造专业高强铝合金丝材较少。因此,本课题提出基于异质多丝共熔的高强铝合金增材制造方法,以Al-Mg-Cu合金与Al-Zn-Mg-Cu合金为设计目标,从多丝增材制造系统设计、成分调控工艺方法和组织性能分析等方面展开研究。首先,本课题针对多丝共熔的工艺特点,设计研发基于TIG熔丝工艺的多丝共熔平台,包括熔丝单元、运动单元、信号采集单元与界面显示单元等,实现多元合金的灵活设计与增材制造。其次,面向多丝增材制造构件的组织性能需求,对多丝位置和电流类型进行探究;并在此基础上,从单层单道和单壁墙两个层面上研究了沉积速度和电流大小两个主要工艺参数对增材制造构件组织性能的影响规律进行了探究,获得铝合金多丝增材制造工艺窗口。然后,分别采用两种双丝共熔系统,即基于Tandem的双丝共熔增材制造系统与基于TIG的双丝共熔增材制造系统,通过控制ER2319和ER5356两种焊丝的送丝速率,成功设计并获得Al-2.4Mg-3.2Cu合金（接近2A02铝合金）,成分与相组成符合预期设计。力学性能测试发现,基于TIG双丝共熔增材制造系统获得的单壁墙构件最高拉伸强度可以达到280MPa,优于基于Tandem双丝系统获得的单壁墙构件（256MPa）;二者的硬度平均值差别不大,但基于Tandem双丝系统获得的单壁墙构件硬度分布波动明显,具有较多低硬度离散点。微观组织观察发现,基于Tandem双丝系统获得的单壁墙气孔较多,影响了构件力学性能的稳定性。最后,基于TIG多丝增材制造系统,通过控制ER2319、ER5356两种焊丝和纯Zn丝的送丝速率,成功设计并获得铸态Al-2.6Mg-2.6Cu-6.6Zn合金（接近7050铝合金）,构件内部主要由α-Al、S相（Al2CuMg）、η相（MgZn2）以及θ相（CuAl2）组成,相组成和成分误差符合预期设计。构件微观组织分为层间区和层内区两部分,层内区的下部主要由柱状晶组成,上部多为等轴晶组织,符合熔池热分布特点下的晶粒生长规律;层间区存在少量气孔、裂纹等熔合缺陷。力学性能测试发现,构件硬度值在95HV-115HV范围内波动;水平方向抗拉强度最高可达241MPa,垂直方向最高为160MPa,表现出典型的各向异性,主要由层间区的熔合缺陷造成。

关键词： ZL114A   增材制造   热处理   温度场   应力场  

摘要： 本文利用物理实验和有限元分析相结合的方法进行铝合金电弧增材制造工艺优化及模拟研究。首先在20℃的室温下,利用电弧增材制造过程得到ZL114A墙体试件,然后对该试件进行热处理。利用电子拉伸试验机、维氏显微硬度计、OLYMPUSGX71F金相显微镜和Zeiss-Sigma扫描电子显微镜研究ZL114A铝合金电弧增材制造热处理后的组织及机械性能。结果表明ZL114A铝合金电弧增材制造热处理后的试件的强度和硬度相比ZL114A铝合金焊丝都得到了相应的提高。在对焊丝以及热处理前后的电弧增材制造试件进行金相组织分析后发现,增材后的金相组织由白色树枝状晶α（Al）相、树枝间隙中为（α+Si）共晶体以及少量Mg2Si和Al3Ti组成。固溶处理后,Mg2Si和Al3Ti由于固溶强化相溶入固溶体中,在淬火快速冷却过程中来不及析出,得到过饱和固溶体,从而产生固溶强化相,时效工艺使电弧增材制造后的试件的材料组织析出细小亚共晶Mg2Si和Al3Ti强化相,使墙体的强度和硬度等机械性能得到明显的提升。利用有限元软件对电弧增材制造的墙体的温度场进行模拟计算,在计算过程中将热量分为两种方式进行加载,一种以加载体热流的方式进行,另一种以加载初始温度场的方式进行,加载过程以单元死活的形式加载在墙体上,得出试件各个时刻的温度场。将温度场代入到应力场中进行单向耦合计算,分析电弧增材制造后墙体的残余应力分布和变形,模拟结果表明增材制造后的墙体整体变形量很小,模拟结果为优化增材工艺和生产提供依据。

关键词： Al-Mg合金   GMAW电弧增材制造   成形工艺   微观组织   力学性能  

摘要： GMAW电弧增材制造技术是利用熔化极电弧为热源,通过丝材的添加,采用逐层堆积的方式成形出金属零件的技术。与以激光和电子束为热源的增材制造技术相比,具有制造成本低、沉积速率高、制造零件尺寸大等优点。目前针对增材工艺对增材构件成形质量、微观组织和性能影响规律的研究还不够系统和完善,尤其在增材构件的疲劳性能评价和丝材成分优化方面缺乏基础实验数据。Al-Mg和Al-Mg-Mn合金具有良好的抗腐蚀性能,较高的强度和塑性,在航空航天、高速列车和机械工程等领域应用广泛。本研究针对GMAW电弧增材制造Al-5Mg合金的成形工艺以及Al-5Mg和Al-5Mg-1.0Mn合金成形直壁墙的微观组织和力学性能开展系统研究,旨在为提高电弧增材成形件的性能和增材用丝材的成分设计提供实验基础与理论依据,并推动GMAW电弧增材制造技术的工程应用进程。本研究基于自行设计搭建的GMAW电弧增材成形系统,成功制备了Al-5Mg合金直壁墙(长270mm ×宽9-12mm ×高65mm),系统研究了热输入、层间温度和附加脉冲频率等工艺参数对直壁墙成形质量、微观组织和力学性能的影响规律。结果表明,随着热输入从171(J·mm-1)增加至395(J·mm-1),直壁墙的宽度增大,有效宽度系数减小;晶粒尺寸和气孔率增加;平行堆焊方向(X方向)的抗拉强度相差不大,为276-279MPa,但垂直堆焊方向(Z方向)的强度和延伸率逐渐降低。当层间温度控制在60-140℃之间变化时,直壁墙的宽度均在9.0mm左右,有效宽度系数为0.85左右;晶粒尺寸为56.1μm,气孔率为0.13%;平行堆焊方向(X方向)和垂直堆焊方向(Z方向)的抗拉强度均为278MPa左右,延伸率无明显变化;层间温度增至180℃时,直壁墙成形质量下降,晶粒尺寸和气孔率增大,力学性能恶化。随着附加脉冲频率从0Hz增至9Hz,直壁墙的宽度增加,有效宽度系数减小;晶粒尺寸和气孔率先减小后增大;平行堆焊方向(X方向)和垂直堆焊方向(Z方向)的抗拉强度均为275MPa左右,垂直堆焊方向(Z方向)延伸率先升高后下降,附加脉冲频率为3Hz时最优。基于以上研究结果,得出优化的Al-5Mg合金成形工艺为:热输入为171(J·mm-1)、层间温度在60-140℃范围、附加脉冲频率为3Hz。采用优化的工艺参数制备的Al-5Mg合金直壁墙平行堆焊方向(X方向)和垂直堆焊方向(Z方向)的抗拉强度均为275MPa左右,但塑性存在各向异性。平行堆焊方向(X方向)的延伸率(45.50%)比垂直堆焊方向(Z方向)的延伸率(36.10%)高9.40%。垂直堆焊方向(Z方向)的拉伸试样多断裂于层间结合处,以沿晶断裂形式为主。Al-5Mg合金直壁墙的疲劳性能测试及分析结果表明,平行堆焊方向(X方向)的疲劳极限(118MPa)比垂直堆焊方向(Z方向)的疲劳极限(104MPa)高14MPa,疲劳源多为孔洞、杂质和液化相。Al-5Mg合金直壁墙沿垂直堆焊方向(Z方向)的α-Al基体呈现柱状晶区和等轴晶区交替的特征,且层间结合处的Al(FeMnSi)等脆性相粒子尺寸较大,并存在微型孔洞和晶界液化相,使得层间结合处成为力学性能的薄弱区,这是导致垂直堆焊方向(Z方向)比平行堆焊方向(X方向)的力学性能差的根本原因。采用优化的工艺参数制备的Al-5Mg-1.0Mn合金直壁墙平行堆焊方向(X方向)的屈服强度、抗拉强度分别为124MPa、310MPa,比Al-5Mg合金直壁墙分别高9MPa、33MPa;Al-5Mg-1.0Mn合金直壁墙垂直堆焊方向(Z方向)的屈服强度、抗拉强度分别为111MPa、293MPa,比Al-5Mg合金成形直壁墙分别高6MPa、19MPa。添加的Mn元素一部分固溶于α-Al基体中,增强了固溶强化效果,其余的Mn元素以A16Mn相的形式存在于组织中,起到弥散强化的作用,这是导致相同工艺条件下,Al-5Mg-1.0Mn合金直壁墙比Al-5Mg合金直壁墙力学性能优异的主要原因。

关键词： 高氮钢   第二相颗粒   CMT增材   热处理   组织与性能  

摘要： 高氮奥氏体不锈钢具有良好的力学性能和耐腐蚀性能,成为钢铁材料研究的热点之一,而CMT（即冷金属过渡焊接技术）增材制造是一种新型的丝材电弧增材技术,具有一次成形复杂零件的特点,能够实现零件的自由制造。将高氮钢制备成丝材,并研究其CMT电弧增材制造,有望使高氮钢的应用更为广泛。本文设计了多种CMT增材用高氮钢丝材成分,研究了其工艺性能,分析了CMT增材后的凝固组织与力学性能,并研究了热处理对组织与性能的影响。研究结果表明:1)Nb（Mo）元素的添加可以改善高氮钢熔凝合金锭表面的光洁度,并细化晶粒,提升力学性能;结合氮平衡理论与舍弗勒相图设计制备了多种成分的高氮钢丝材,焊接工艺性评估表明Nb微合金化可以减小丝材的表面粗糙度,减少飞溅与烟尘量,改善成形性,保持更好的熔池稳定性;2)CMT增材高氮钢采用交错堆叠（即先在X-Y平面蛇形打印一层,再沿Z方向交错90度打印第二层,以此类推）方式,增材的高氮钢每层厚度约2.6 mm,层内可以分为重熔区（厚0.1 mm）、枝晶区（厚2.1 mm）、热影响区（厚0.4 mm）三个区域,由奥氏体相和少量δ-铁素体两相构成,枝晶为细小的富Cr树枝晶,二次枝晶臂间距小于8.5μm,枝晶主要沿Z方向生长,受同层已打印成形部位散热的影响,部分树枝晶主轴与Z方向约成45°夹角;3)增材体晶粒沿Z方向呈现（200）择优生长,增材体Z方向的力学性能低于X（Y）方向:X（Y）方向抗拉强度达到872 MPa、延伸率13%、冲击韧性258 J/cm2;而Z方向抗拉强度为745 MPa、延伸率12%、冲击韧性228 J/cm2。4)高氮钢增材体在500℃900℃的热处理实质是一个时效析出过程,主要析出相为σ相和Cr2N。随着热处理温度提高或时间延长,呈现欠时效、峰时效和过时效三个阶段。在保温3小时情况下,500℃700℃处于欠时效,700℃处于峰时效,X（Y）方向和Z方向的屈服强度（抗拉强度）分别为774 MPa（951 MPa）和725 MPa（778 MPa）,硬度分别为373 HV0.5和369 HV0.5;700℃900℃处于过时效。在固定温度为600℃情况下,0～50h处于欠时效,50 h达到峰时效,50 h100 h出现过时效。峰时效时X（Y）方向和Z方向的屈服强度（抗拉强度）分别为856 MPa（991 MPa）和789 MPa（872 MPa）;此时,高氮钢增材体中的树枝晶完全分解,大量第二相颗粒在原树枝晶富铬区析出,析出区与无析出区在空间形成一种网络状交织特征。

关键词： 电弧增材制造   增减材复合成形   曲面分层   路径规划   体素模型  

摘要： 电弧增材制造能够高效低成本成形大尺寸金属零件,在航空航天、汽车制造、模具再制造领域具有广泛应用前景。由于电弧增材制造一般采用平面分层,难以成形复杂曲面结构件,或者在成形复杂曲面形貌金属零件时,易造成能量局部积累、温度场不均匀,导致加工效率低、表面形貌质量差,翘曲变形等问题,针对上述问题,提出基于体素法实现适用于电弧增材制造的新型曲面分层及路径规划方法,提高了零件的表面质量并减少了成形过程中局部过热等待时间,从而提高了零件成形效率。提出了两种基于体素法的曲面分层方法:基于曲面偏置的曲面分层方法将基底曲面作为参考曲面,沿法线等距偏移参考曲面,与零件模型求交,得到各分层曲面。该方法能够实现基于成形基体的曲面成形,弱化台阶效应。基于生长线的曲面分层方法通过零件的最小包围盒绘制一定密度的生长线,并与零件表面求交,根据层厚将各交线段划分为若干段,确定每一个划分点所在的层数,求出每一层的边界点,形成的点云即为分层曲面,该方法具有易于实现变层厚分层的优点。开发了两种曲面路径规划算法:Z字形路径规划和轮廓路径规划。Z字形路径规划通过Y向或者X向扫描线正负往返扫描,找到每条曲线路径的起止打印点,并求出每个起止打印点之间的路经点。轮廓路径规划获取曲面层的内外轮廓线,偏置轮廓,形成轮廓路径。两种路径规划方式可根据不同零件的工艺要求选用。此外,还开发了减材制造路径,与上述增材路径协同,实现了增减材复合成形路径规划,以提高电弧增材制造的精度。以上研究工作形成了一套完整的电弧曲面分层制造路径规划软件,已经在课题组基于机器人的电弧增材制造装备和基于加工中心的电弧增材/机加工减材复合成形装备上成功应用,制造出平面分层难以制造的螺旋桨及钢节点模型。

关键词： 铝合金   电弧熔丝增材制造   成形工艺   热处理   过渡端框  

摘要： S5356铝合金过渡端框是运载火箭的关键结构件,用于运载火箭助推模块中级与级之间的过渡,实现两级之间的连接,在运载火箭的发射中起重要作用。过渡端框上分布多组加强筋,尺寸大且形状复杂。作为级间的连接部件,它的形状和精度对连接质量起重要作用,同时,作为火箭发射过程中的重要承力结构,有较高的性能要求。本论文研究了S5356铝合金过渡端框电弧增材制造工艺及性能,打印出过渡端框模拟件。研究了S5356铝合金电弧堆积单层单道金属的成形工艺。当堆积电流100A时,堆积金属的初始温度大于80℃,堆积层与基板结合处没有咬边缺陷,且堆积层的宽度与高度的比值即外观成形系数随着堆积金属初始温度的增加而增加。堆积电流110A-120A时,堆积层尺寸均匀,成形美观;堆积电流120A-140A时,堆积层金属铺展性好,外观成形系数较大。堆积电流增加,堆积层外观成形系数相应增加。研究了S5356铝合金电弧堆积多层单道金属的成形工艺。堆积过程的层间温度为30℃、50℃、70℃,堆积金属的有效宽度与总宽度的比值即有效宽度系数分别为0.84、0.90、0.80,均大于连续堆积金属的有效宽度系数0.74。恒定的层间温度,可增加多层单道堆积金属的侧面平整度,当层间温度为50℃时达到最佳效果。连续堆积时,堆积电流80A-120A,堆积金属的有效宽度系数在0.65左右,堆积电流140A时,堆积金属的有效宽度系数为0.74。堆积电流大于120A时,堆积金属的侧面平整度有一定程度的增加。连续堆积过程中层间提升量分别为1.5mm、2mm、3mm时,堆积金属的有效宽度系数在0.64左右,层间提升量对多层单道堆积层侧面平整度影响不大。研究了多层单道堆积金属的气孔率。层间提升量从1.5mm增加至3mm,堆积金属中的气孔率由1.32%增加至2.59%。堆积过程中的层间提升量应与堆积金属的平均层高相对应,过小会降低熔池的稳定性,并且易烧损导电嘴,过大会使金属中的气孔率增加。研究了热输入及固溶热处理温度对堆积金属性能的影响。堆积过程的热输入从113.35J/mm增加至356.35J/mm,金属的抗拉强度由265MPa减小至236MPa,延伸率由17.80%下降至13.85%。观察拉伸试样断裂后断口,断口处气孔的数量及尺寸随热输入的降低明显减少。金属在堆积态及温度分别为350℃、450℃、500℃固溶热处理态下垂直方向的抗拉强度分别为234.8MPa、245.8MPa、256.7MPa、255.8MPa,热处理后,金属的抗拉强度有9.3%的提高,断后延伸率由11.2%增加至14.6%。固溶热处理温度450℃时,垂直方向金属的抗拉强度达到极限,继续升高温度无法使强度提高。堆积态下水平方向金属的抗拉强度为275.4MPa,随着固溶热处理温度的增加,水平方向金属的抗拉强度提高约5MPa,强化效果不明显。堆积态下,金属在垂直方向和水平方向抗拉强度差40.6MPa,该现象的产生主要是由于层间结合界面液态金属的结晶存在方向性,其次分布于界面附近的显微气孔也会对性能产生一定的影响。垂直方向和水平方向拉伸试样断裂后断口均匀分布大量韧窝,表现为明显的韧性断裂。固溶热处理使金属组织中的析出相由晶界处聚集转变为晶粒内部弥散分布,随固溶温度的增加,晶粒内部弥散过程进行的越充分,同时,固溶热处理使晶粒尺寸减小,组织变得细小均匀。根据过渡端框的结构特点,制定相应的路径规划策略,提出对称分块成形方案,实现过渡端框模拟件的增材制造。通过对过渡端框模拟件进行三维测量,得到结构误差在3.58mm之内,达到预期要求。

关键词： 电弧增材制造   梯度钛合金   TiN   数值模拟  

摘要： 电弧增材制造技术采用材料逐层累加的方法制造实体零件,具有成本低、易控制、效率高的特点,是工业生产中应用最为广泛的一种技术。本文针对钛合金材料在复杂应用环境中所需的性能差异要求,提出了采用电弧增材制造的方法进行梯度钛合金材料的制备。利用增材制造具有的切片分层的技术特点,在制造过程中于保护气内混入不同比例氮气,将钛合金材料的氮化强化与增材制造技术相结合,在分层制造的过程中逐层强化钛合金材料,能够有效可控地获得具有性能差异的梯度钛合金材料。在电弧增材制造的基础上,结合钛合金氮化强化特点,建立了梯度钛合金电弧增材制造试验系统。并利用梯度钛合金电弧增材制造平台进行了单道单层堆垛试验,探索工艺参数对堆垛过程的影响,并最终确定了以电流100A、堆垛速度150mm/min、送丝速度180cm/min、弧长5mm、丝高为0mm的工艺作为梯度钛合金电弧增材制造的最终工艺。结果表明:钛合金堆垛的成形与主控制参数的匹配有着极大的关系,而氮气流量对于堆垛成形基本无影响。在堆垛过程中加入不同流量的氮气对于堆垛层有着明显的强化作用,且整个堆垛层基本上都具有了性能上的强化,证明了其具有良好的强化深度。通过高速摄影观察电弧与熔池形态可知,氮气的引入使电弧明显地收缩,从而提高了弧柱中心温度,并使堆垛过程的热效率提高,且与氮气流量的增加呈正相关关系。通过OM与SEM观察单道单层堆垛试样的组织可知,在相同工艺参数下,氮气流量的多少决定了堆垛层中氮化钛强化相的组织结构,其主要表现为无氮条件下生成典型片层状α相,低氮条件下形成了TiN树枝晶,高氮条件下的TiN颗粒连结组织。总结了氮元素在增材制造过程中的传输行为,其主要分为三部分:氮气分子在电弧中的电离,液态钛合金对氮离子的溶解与附着,以及氮离子随熔池流动而进行的运输。同时,开展了梯度钛合金材料的单道多层堆垛试验,分析了单道多层堆垛试样的成形特点,并主要研究了多层堆垛过程中层间冷却时间与固定氮气流量对梯度钛合金材料的组织与性能影响。结果表明:氮气流量的大小对单道多层堆垛的成形影响较大,一方面使电弧收缩,影响了熔池与焊丝的耦合形态;另一方面,流量过大降低了材料的塑性,容易使堆垛层开裂甚至脱落。对不同层间冷却时间与氮气流量条件下的堆垛试样进行了压缩试验。以氮气流量为1.5L/min的参数为例,层间冷却时间较短,堆垛层热积累较大,TiN组织以树枝晶为主,其抗压强度约为1.47GPa;层间冷却时间越长,堆垛层热积累较少,此时TiN组织是树枝晶与颗粒状晶体的混合,堆垛层的抗压强度约为1.3GPa。氮气流量的增加使得材料塑性明显降低,抗压强度由0.9GPa提高至1.5GPa,强化组织的形貌由TiN树枝晶转变为TiN颗粒连结。最后,进行了梯度钛合金材料电弧增材制造的数值模拟分析,分析了钛合金电弧增材制造过程的应力与变形情况,并研究了层间冷却时间对钛合金增材制造的影响行为,着重对极限条件下梯度钛合金电弧增材制造过程中的应力与变形状态进行了分析。结果表明:层间冷却时间对于钛合金电弧增材制造的堆垛层应力影响较小,但对于基材的应力与变形影响较大,当层间冷却时间为20s时,堆垛层最终的最大变形为0.3mm,当其为100s时,最大变形则为0.8mm,堆垛层与结合处平均残余应力都在400MPa左右。这是由于堆垛过程中的热分配不同而造成的。同时分析了极限条件下梯度钛合金的电弧增材制造过程,认为以TiN材料进行堆垛对基材与堆垛层均有较大影响,主要表现为基材具有更大的变形与残余应力,堆垛层具有更大的层间残余应力。在层间冷却时间为20s的相同参数下,TiN材料的最大变形为0.84mm,结合处平均应力则超过了700MPa。堆垛层与基材界面处的应力集中是由两侧材料不同的热膨胀系数造成的,而堆垛层对基材的影响主要来自于堆垛层与基材接触面上的应力差。

关键词： 电弧增材制造   轮廓模型   路径规划   桁架结构  

摘要： 在现代装备制造中,零部件结构对大尺寸、轻量化、整体化、高效化的需求越发强烈,而传统制造的工艺受设备要求高、能耗大、材料浪费严重、模具设计等因素影响大大降低了结构研发效率。电弧增材制造技术基于离散-堆积原理,以电弧作为热源熔化焊丝,按照规划的路径逐层堆积,得到由熔敷金属组成的三维实体构件。与传统钢结构制造工艺相比,其不仅具有生产成本低、材料损耗少、制造周期短等优点,而且能够实现复杂型腔结构和中空封闭结构的制造。因此,研究电弧增材制造技术的基本工艺与理论,探索其在结构件制造中的工程应用可行性,具有重要的科学意义与工程价值。本文主要以ER70-G(GB标准)型号的焊丝为增材原材料,将工业机器人与数字化弧焊电源相结合,实现桁架结构零部件的三维增材制造。对电弧增材制造的成形工艺的研究为后续获得合理的工艺参数、增材层外形尺寸奠定基础,规划对应结构件的增材路径并对实际增材件分析来优化增材成形策略。首先,通过理论分析假设单层单道增材层截面轮廓线为圆弧曲线,通过对不同工艺参数下单层单道增材层扫描提取的实际轮廓曲线与圆弧曲线拟合对比分析,验证假设。通过对增材层间叠加理论模型与实际轮廓对比分析,建立多层单道电弧增材叠加数学模型。从而可针对不同的增材壁厚,获得增材速度与送丝速度相匹配的工艺参数用于实际电弧增材制造。其次,基于理论道间搭接量模型,对桁架立柱结构件进行合理的增材路径规划,然后在优化的机器人运动轨迹下进行电弧增材工艺试验,利用三维扫描仪对比实际结构与理论模型尺寸差异,研究结果表明优化后的增材路径能够提高增材效率、减少搭接接头数量、改善增材搭接成形尺寸精度。最终电弧增材成形出完整的桁架立柱结构样件,样件符合结构尺寸要求并具有合适的加工余量。最后,通过制定桁架中空环形结构件的增材成形路径、基板与焊枪姿态的方案,成形出小比例桁架中空密封环形结构件样件。利用已建立的增材层间叠加模型获得上环面变径增材过程中每层的电弧工艺参数,对成形尺寸和表面质量进行了较好控制。重点探讨了基板反变形法对中空环形结构变形程度的影响规律。