关键词： 强冷约束   电弧增材   冷金属过渡   微观组织   铝合金  

摘要： 采用强冷约束辅助电弧增材方法制造4043铝合金薄壁墙体,并对薄壁试样的宏观成型及组织特征进行研究。结果表明,使用强冷约束装置后试样垂直度提高,表面成形精度得到明显改善;平均晶粒尺寸由不加强冷约束时的25μm减小为12μm,晶粒得到明显细化;施加约束后4043铝合金侧壁直接与约束装置接触,使得侧壁散热速度加快,侧壁产生胞状组织,中心为柱状组织且与增材方向呈一定角度生长。薄壁墙体底部到顶部硬度呈现递减规律,硬度平均值由不加约束时的48HV提高到58HV;横向晶粒分布为两侧呈胞状组织,中心区域为柱状组织,中心区域硬度比两侧低。

关键词： 电弧增材制造   旁路耦合微束等离子弧焊   热过程  

摘要： 针对旁路耦合微束等离子弧焊电弧增材制造中的热物理过程,利用K型热电偶测量堆垛过程中不同焊接速度、不同旁路电流和不同堆垛顺序下的热循环曲线,分析研究堆垛成型时各参数对热过程的影响。结果表明:随着焊接速度的增大,母材热输入减小;在合适的旁路电流区间内,增加旁路电流,母材热输入减少;且同向堆垛散热性要优于往复堆垛。精确控制旁路电流、合理规划堆垛路径可较好地控制旁路耦合微束等离子弧焊电弧增材制造的热过程。

关键词： 镁合金   CMT   熔敷层   微观组织   再制造  

摘要： 采用CMT焊接技术对AZ31B镁合金增材再制造工艺进行研究,从焊缝形貌、微观组织、摩擦磨损试验方面评价其工艺参数。结果表明:CMT快速增材再制造镁合金的合理工艺参数为送丝速度13m/min、焊接速度1. 4m/min;增材组织晶粒明显细化,耐磨性与母材相当,满足大多数使役工况。

关键词： 316不锈钢   增材制造   TIG电弧   激光-TIG复合焊接热源  

摘要： 不锈钢已成为现代工业三大支柱材料之一,其中316奥氏体不锈钢因其良好的性能在管道制造中具有广泛的应用,传统管道制造主要采用整体锻造和锻焊,但是均存在很多问题,增材制造因制造成本低、成形速率高、智能化等优点,因此课题考虑利用增材制造的方法研究管道支管结构件。本文采用TIG电弧以及激光-TIG复合热源对316奥氏体不锈钢进行增材制造。确定了行走速度、送丝速度、电弧电流的范围并得到了最优参数,考察最优情况下墙体尺寸、微观形貌以及显微硬度,研究了单一参数对墙体的成形尺寸、微观形貌以及显微硬度的影响,在最优参数的基础上,引入小功率激光研究激光功率变化对墙体的成形尺寸、微观形貌以及显微硬度的影响,研究了激光引入后,电弧形貌以及熔池形貌的变化,最后在最优参数条件下,堆积圆管件,研究路径改变对墙体成形及力学性能的影响,实验均取得较好的结果。单TIG电弧研究结果表明:为获得好的堆焊层成形,应保证焊接电流和焊接速度为正相关关系。钨极角度的变化,表现为电弧力对熔池的作用方式的改变,钨极角度不适合时会带来墙体高度和宽度的不稳定。电弧电流的变化主要表现为对重熔区区域大小及晶粒粗细的影响。层间冷却温度的变化对墙体的影响变现为改变重熔区的冶金,层间冷却时间的改变主要带来墙体的高度稳定性的剧烈变化。送丝速度的变化主要表现为对墙体高度的累加作用。移动速度的变化主要表现为墙体宽度的稳定和高度的累加作用。组织变化主要是柱状形态的变化。电弧力作用方式对墙体硬度影响不大,热输入和热堆积的变化对墙体硬度变化影响较大。激光-电弧增材制造研究结果表明:小功率激光的引入后均在不同程度上改善墙体的成形从而得到更为有效的壁厚。组织发生了巨大的变化。成形件的力学性能提高,试样的硬度提高。引入激光后,相比于单TIG电弧时,电弧形态较稳定,电弧细长,减小了电弧对前层沉积层再次冲击作用引起的两侧熔融金属液的流动,在一定程度上提高的圆管侧壁的精度。激光压缩电弧,使热量集中,受电弧力的冲击作用也较集中,因此可以获得沿垂直方向较深的熔池。圆管增材制造实验结果表明:利用最优参数对圆管进行了堆积实验,得到成型较好的圆管,单TIG电弧增材情况下,圆管运动路径与直线运动得到成形件侧壁相似;圆管堆积得到成型件的力学性能与墙体的力学性能差距不大。

关键词： 铝合金   激光-电弧复合增材制造   微观组织   力学性能  

摘要： 随着科技发展及推广应用的需求,不同领域结构样件在追求大型化和复杂化的同时,也不断向轻量化方向发展,从而降低成本、节约能源并拓展应用领域。以铝合金为主的轻质合金,由于密度低、比强度高和较好的断裂韧性,在制造领域备受关注。以激光或电弧为热源的激光增材制造技术或电弧增材制造技术,相比于传统的铸造方式,因成形效率高、成形精度高和成形自由度不受限等优点广泛应用于航空航天、轨道交通和汽车制造等领域。在此基础上,将激光和电弧两种热源相复合,这项技术可以更好的利用能源,成形质量较优的成形结构样件。本论文以铝合金6061为基板材料,以直径1.2 mm的铝合金4043为送丝材料,选择JK701H型Nd:YAG脉冲激光器和Dynasty200 DX型电弧焊机,使用激光-电弧复合增材制造技术进行工艺优化实验和薄壁结构成形实验,并与电弧增材制备的薄壁结构进行对比。(1)通过单因素实验方法,以余高系数和成形效率为优化标准,确定可用于制备薄壁结构的激光功率、电弧电流、送丝速度、扫描速度、预热温度和钨极高度;(2)使用优化后的工艺参数,采用逐层降低电弧电流的方法制备激光-电弧复合增材薄壁结构;(3)与电弧增材薄壁结构进行宏观形貌、微观组织和力学性能的对比分析。

关键词： CMT增材   大宽高比成形   层状结构   组织及力学性能  

摘要： 冷金属过渡电弧增材（CMT-AM）是以电弧作为热源,焊丝作为填充材料,熔滴以冷金属过渡方式在基板上逐层累积三维成形技术。本课题以316L不锈钢和自制高氮钢焊丝作为研究材料,仿贝壳珍珠母结构,制备高强高韧的异材层状结构件。首先研究保护气成分对高氮钢电弧增材的影响,然后分别研究工艺参数对单一材料单道单层、多道单层和多道多层成形和组织性能的影响,最后研究增材比例和路径层状结构件力学性能的影响。首先不同比例的Ar/N2和Ar/O2混合气,研究保护气成分对高氮钢电弧增材的影响,得到最佳保护气成分为N2比例不超过20%,O2比例为2%最佳。其次研究送丝速度和电弧运动速度对316L大宽高比成形单道宏观尺寸的影响规律,得到最佳的316L大宽高比成形工艺参数,研究搭接率对单层表面平整度的影响,得到搭接率为42.5%时,表面平整度约260um,结构件抗拉强度约740MPa,冲击韧性最大为155.82J/cm2,冲击断口韧窝底部无夹杂物或第二相粒子。再进一步研究送丝速度和电弧运动速度对HNS大宽高比成形单道宏观尺寸的影响规律,HNS作为本课题的主体材料,故选取两组较优工艺参数进行平行实验,进行性能对比得到最佳工艺参数,最佳工艺参数下搭接率为45%时,表面平整度约130um,结构件最大抗拉强度达到1194.67MPa,最大冲击韧性达到32.43J/cm2;旋转90度增材路径下结构件力学性能得到进一步提升,HNS增材结构件最大抗拉强度达到1196.37MPa,最大冲击韧性达到63.99J/cm2。拉伸断口韧窝底部存在有夹杂物或第二相粒子,冲击断口呈现解理断裂区域和韧窝断裂区域。最后仿贝壳珍珠母结构设计316L/HNS异材层状结构件,通过理论计算层状结构件抗弯强度达到纯HNS的95%以上时HNS与316L的最佳比例值,并进行试验验证,进行力学性能检测。当HNS:316L=3:1时,异材结构件抗弯强度达到纯HNS的95.08%,冲击韧性为102.67J/cm2,提升幅度高达316.59%,进一步研究增材路径对层状结构件力学性能的影响,同心圆路径下结构件力学性能得到进一步提升,冲击断口以316L/HNS熔合线为分界线,HNS区域为典型的韧窝断裂和小部分解理断裂,316L不锈钢区域为抛物线状韧窝。

关键词： 高强钢   等离子电弧增材   尺寸模型优化   成形路径   增韧  

摘要： 本课题基于机器人等离子弧增材制造技术,针对ER130S-G高强钢为研究对象,对高强钢等离子弧增材成形工艺及增韧进行研究。采用Design-Expert软件对单道多层直壁体进行成形尺寸建模及模型优化,得出优化后的层宽与层高和工艺参数之间的数学表达式。针对熔敷道的宽高比对高强钢道间搭接平整度影响研究,采用多项式拟合曲线来得出在不同宽高比下搭接率与平整度之间的关系,得出当采用大的宽高比时如本文中的11.61,熔敷层能够得到较佳的平整度。研究熔敷电流、送丝速度、层间温度等三个工艺参数分别对高强钢增材件微观组织和力学性能的影响规律。结果显示,不同熔敷电流下试样的拉伸强度均达到1000MPa以上,Y方向(平行堆积速度方向)的抗冲击能力、延伸率均高于X方向(垂直堆积速度方向);采用110A电流时相对于90A电流下延伸率提高了167%,同时冲击韧性提高11.11%。层间温度为40℃时,相比于120℃的层间温度下,延伸率提高47.83%,冲击韧性提高19.81%;送丝速度为0.75m/min,相比于1.05m/min送丝速度下,抗拉强度提高10.91%,延伸率提高228.91%,冲击韧性提高45.98%。研究一字路径、一字往复路径、十字交叠路径对高强钢增材块体微观组织及力学性能的影响规律,得出随着距离基板越远,其抗冲击能力越高的结论。同时采用一字路径和一字往复路径时,在强度、塑性、韧性上差别不是很大,但是采用十字路径堆积时试样抗拉强度比一字路径和一字往复路径下提高10.13%和10.69%,同时韧性也分别提高了9.30%和10.59%。为了进一步实现高强钢增材块体的强韧化,通过在高强钢硬材基体中添加少量不锈钢软材实现软硬交织结构增韧。研究表明,当2层不锈钢之间通过2层高强钢隔开时,其抗拉强度只下降3.05%,但是其延伸率和冲击韧度分别进一步提高了31.63%和11.36%。

关键词： TIG电弧增材制造(TIG电弧3D打印)   TC4   正火处理   显微组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造（3D打印）技术是通过电脑辅助设计,材料由点到面再到体由下到上的逐层制造的过程。与传统的铸造、锻造等加工技术相比较,电弧增材制造成形的零件具有性能好,精度高等优点;与激光、电子束等增材制造方法相比,其具有制造成本低,效率高等优点。本文用TIG电弧增材制造方法,目的是探索在最佳工艺参数下成形件的显微组织以及力学性能。通过工艺参数对沉积层外观形貌、冶金缺陷、熔深、熔高及熔宽的影响规律的研究,并通过正交试验确定了TIG电弧3D打印最佳工艺参数;采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）及X射线衍射仪（XRD）对沉积层的组织及相进行了分析;采用维氏硬度仪及万能拉伸试验机分析了沉积试样的硬度分布规律及机械性能变化规律。试验结果表明,TIG电弧3D打印的最佳工艺参数为电弧电流I=160A、扫描速度Vm=8mm/s、送丝速度Vd=1.4m/min、搭接率40%;随着电弧电流的增加,熔深略有增加、熔高没有明显变化、熔宽逐渐加宽;随着扫描速度增加,熔深逐渐减小、熔高略有增加、熔宽逐渐减小;随着送丝速度的增加,熔深逐渐减小、熔高增加、熔宽也逐渐增加;沉积态及正火处理后组织均由初生α相及少量β相组成;与正火处理比较,沉积态组织主要由细长的初生α相与魏氏组织构成;正火条件在750-900℃/2h/空冷时,随着温度的增加,细长的初生α相逐渐变短,魏氏组织逐渐消失,向着网篮状组织方向发展;正火条件在950-1050℃/2h/空冷时,初生α相变得粗化,并逐步向着等轴晶方向转变;本次试验（850℃/2h/空冷）较好的机械性能为XY方向的拉伸强度900.4MPa、屈服强度820.4MPa、伸长率9.3%、断面收缩率27.4%;Z方向的拉伸强度890.1MPa、屈服强度790.1MPa、伸长率10.8%、断面收缩率31.0%;与TC4钛合金锻造标准（T/GB16598-1996）抗拉强度σb=895MPa、屈服强度σ0.2=825MPa、伸长率δ=10%、断面收缩率Ψ=25%相比较,TIG电弧增材制造TC4钛合金经正火处理后的综合性能基本达到锻件标准,满足了实际的需求。沉积态与正火处理态的硬度值变化不大。拉伸试样（Z向拉伸试样和XY方向拉伸试样）断口形貌均布满韧窝,属于塑性断裂。

关键词： 微束电弧   选区熔化   增材制造   金属   弧压控制  

摘要： 金属增材制造技术种类繁多,这些技术各有各的优势、劣势,各有各特别适用的加工场合。本文将粉床铺粉和电弧热源相结合,提出并研究了一种新型金属增材制造方法——微束电弧选区熔化金属增材制造方法。该方法在保留电弧熔丝增材制造低成本优势的前提下,可以获得高于电弧熔丝增材制造的加工分辨率和加工精度,比电弧熔丝增材制造更适用于成形形状结构复杂、尺寸较小的零件。此外,该方法可以成形梯度材料零件,且可实现成形设备小型化、桌面化。该方法工艺过程是:在粉末床上平铺一层粉末,利用直流微束电弧(电流5A以下)按照零件截面形状扫描本层粉末,扫描区粉末熔化冷却后凝固成形,然后粉末床下降一个层高,再铺一层粉末,重复上述过程,直至成形出三维零件。研制出了微束电弧选区熔化金属增材制造原型装置,可以持续稳定地进行增材制造。通过对极间现象的观测发现正极对电弧的粘滞阻力大于负极,因此确定采用负极性加工。钨极表面氧化钨的形成和升华造成了电极端部的的损耗演变。电弧常在电极侧面放电,这是较细电极能够自锐的原因,电极自锐能够提高成形精度。通过实验研究发现扫描速度过快会发生球化现象,使成形失败。适中的扫描速度和电流可以得到最好的表面质量和尺寸精度。单道熔宽随电弧扫描速度的加快而减小,随电弧电流的加大而增大。增材速率随电弧扫描速度和电流大小的增大而增大。通过仿真分析发现随着扫描速度的加快熔池深度减小。随着电弧电流的加大,弧柱横截面积大幅增加,电弧能量密度减小,熔池深度总趋势是减小的。随着扫描速度的加快,熔池体积、沸池体积、气化占比均减小。随着电弧电流的加大,熔池体积整体上呈先增大再减小的趋势,这是电弧总能量和电弧能量密度综合作用的结果。在电弧电流较小时才会出现沸池,这是由于小电流具有较大的能量密度。总体来看,粉末沸腾气化量占熔化量的比例很小,不会对成形质量产生负面影响。根据实验和仿真研究结果,明确了合理的单层单道成形工艺参数组合。通过对单层多道成形实验研究发现,改变平行轨迹间距,沟道不发生形状尺寸的变化,发生改变的是沟道之间的平整带宽度,选用较宽的平行轨迹间距可以提高成形表面整体上的平整度,并提高增材速率。成形出了单层单道样件、单层多道平面样件和多层单道薄壁样件,其中单层多道平面样件的单边精度达到了200μm。

关键词： 热锻模具   梯度结构   电弧增材制造   金属型药芯丝材   路径规划  

摘要： 目前热锻模具主要采用铸锭锻造+机加工或直接精密铸造的方法制造。这两种方法制造的模具往往为单一材料,当其长期在高温高压恶劣环境下服役时,易出现变形、裂纹、剥落等损伤,模具使用寿命低。针对目前模具采用单一材料制造寿命低的不足,采用电弧增材制造的方法实现模具梯度结构的制造,提高模具的使用寿命。针对航空飞机发动机高温合金盘模具的结构特点,设计出打底层、过渡层及硬面层的三层梯度结构模具;开发出打底层、过渡层及硬面层三种金属型药芯丝材。打底层采用与5CrNiMo模具钢相同的合金成分设计,但降低了C含量,提高了Cr、Mo含量,这样使得打底层有良好的抗裂性和韧性。过渡层合金成分设计是在打底层丝材的基础上,增加了C、Cr、Mo的含量,并加入适量V、W、Nb,使其具有更好的力学性能。硬面层合金成分设计是在过渡层的基础上,增加了C、Cr、Mo、V、W、Nb的含量,提高了硬面层高温力学性能和耐磨性。此外,在三种金属型药芯丝材中均加入了1%的NaF,提高电弧的稳定性,改善工艺性能。研制的三种金属型药芯丝材成形性良好,在不同工艺参数下飞溅率在2.5%以下,高速摄像观察电弧增材制造过程中电弧稳定,工艺性良好。研制的打底层金属型药芯丝材堆积金属的组织为细小铁素体+贝氏体;过渡层金属型药芯丝材堆积金属的组织为细小铁素体+珠光体+少量板条状马氏体及弥散分布其中的细小硬质相碳化物;硬面层金属型药芯丝材堆积金属的组织为板条状马氏体+少量残余奥氏体,并存在细小硬质相碳化物。硬面层堆积金属在700℃下抗拉强度为1404MPa,磨损失重率为0.11%,较5CrNiMo降低了35.29%,硬面层金属有良好的高温耐磨性能。打底层与5CrNiMo基体的界面结合强度为1013MPa,过渡层与打底层的界面结合强度为1162MPa,硬面层与过渡层的界面结合强度为1317MPa,相邻梯度层的结合良好,具有高的结合强度。研制的三种金属型药芯丝材在5CrNiMo上堆积成梯度结构试样,测量得出5CrNiMo硬度为245HV、抗拉强度为1005MPa,打底层硬度为345HV、抗拉强度为1145MPa,过渡层硬度为455HV、抗拉强度为1311MPa,硬面层硬度为550HV、抗拉强度为1436MPa。在5CrNiMo上堆积三种金属型药芯丝材可构建梯度结构模具。采用平面切片与偏置填充的路径规划策略,通过java编程得到机器人程序语言,实现航空飞机发动机高温合金盘模具梯度电弧增材制造。电弧增材制造模具的尺寸偏差在1mm以内,未发现裂纹、未熔合等缺陷,实际应用表明梯度结构模具有高的使用寿命。