关键词： 模具电弧增材再制造   前处理   点云获取   点云精简   三维模型建立  

摘要： 随着资源重复利用以及环境保护的提出,对破损模具进行修复再利用已经得到越来越多人的重视。相比传统的模具堆焊修复工艺,模具电弧增材再制造技术效率高、精度高,可有效解决人工焊接工作环境差的问题。本文主要对模具电弧增材再制造前处理工艺流程进行研究,对点云获取、点云处理以及三维模型重构方法进行探讨,并对其进行优化改进。首先设计了模具电弧增材再制造前处理初步工艺。该工艺主要包含点云获取、点云处理以及三维模型重构三大模块。点云获取模块采用照式三维扫描仪进行扫描获得模具点云,点云处理模块结合模具点云缺陷制定工艺,三维模型重构模块结合模具扫描特点、后续分层切片以及焊接过程的要求制定工艺,最终获得增材再制造模型,该模型基本符合要求。进一步研究了模具电弧增材再制造点云获取过程工艺。针对初步工艺中点云获取模块出现的“空洞”、过密等问题,分别从扫描角度、喷涂层数以及光强三个方面展开研究,设计四种不同角度、六组喷涂层数以及四组光强试验,比较相应的标记点识别数量,对比点云图的完整性以及拼接精度,得到最优工艺参数。其次,设计了散乱模具点云精简算法。本算法将模具点云分为平面普通点、重要特征类点以及普通特征类点三类,分别采取不同的精简方法,可有效解决初步工艺中点云处理模块出现的“空白”、特征“淡化”等问题,相比通用逆向工程软件的均匀法更为优异,满足了生产需求。通过选择合适的曲面构造方式完成了破损模具三维实体模型建立,对粗加工模具三维实体的构建方案进行重建与选择。对比三角化效果,采用Geomagic Studio设定点间距x为1进行三角化曲面构建,导入商业绘图软件处理完成破损模具三维实体模型建立;采用多边形偏移处理建立粗加工模具三维实体模型。最终所获模具电弧增材再制造三维实体模型精度上满足要求,构建速度有很大提升。最后,进行了破损模具电弧增材再制造实验。利用改良后的模具电弧增材再制造前处理技术处理6-15-1型火车衬板类破损模具,建立了增材再制造模型,对该模型进行分层切片与路径规划,模拟无碰枪后进行焊接。所得增材再制造模型特征明显,加工余量符合要求,最后焊接修复结果外观成形良好。本文所改良模具电弧增材再制造前处理技术可作为工业技术参考。

关键词： 电弧增材   铣削   路径规划   复合制造   CAM系统  

摘要： 随着金属增材制造工艺的快速发展,采用焊丝熔敷层层堆积成形的电弧增材制造技术被证明是实现快速制造出具有复杂结构零件的合理、高效、低成本的制造方法。本文针对熔焊3D打印(电弧增材制造技术)与铣削复合制造的CAM系统展开了深入的研究。主要内容如下:(1)针对CAD模型轮廓预处理技术,由于CAD模型直接切片需多次遍历参数曲面,因此将模型所有参数化曲面根据一定条件划分到对应区间组中,使当前切平面直接与其对应区间组中参数化曲面进行求交运算,实现切平面与参数曲面快速求交运算;针对分层截面环无拓扑结构问题,基于投影点计数法完成对内外环的识别与分组。(2)针对熔焊增材路径规划问题,由于偏置路径算法复杂与往复路径易产生翘曲问题,本文对熔焊路径采用往复直线与轮廓偏置相结合的复合路径规划方法;针对往复路径起弧熄弧次数过多问题,基于轮廓环拓扑结构与改进贪心算法对分区路径进行优化设计,减少起弧熄弧次数,缩短空行程路径;针对熔焊在拐角处易堆积问题,基于B样条曲线技术优化路径拐角,保证路径拐角处速度均匀,提高熔焊堆积质量。(3)针对基于熔焊增材路径的铣削路径规划,由于复杂模型分支处插值铣削路径生成问题,首先对空间截面线进行分组,由整体到部分,由粗到精将截面线分成一对一情况;然后针对分叉端点处特殊情况,计算中间过渡马鞍点和生成过度引导曲线;最后运用线性插值方法得到中间路径点并基于三次B样条拟合生成铣削路径。通过上述研究工作,研究了面向熔焊与铣削复合制造的CAM软件系统,成功制造出经过复合路径规划的金属三维模型,证明了采用此方法实现金属零件制造的有效性与实用性。

关键词： 2319铝合金   电弧增材制造   热处理   磁场   组织与性能  

摘要： 为了改善电弧增材制造铝合金构件的成型精度和提高使用性能,本文用ER2319铝合金焊丝进行CMT电弧增材试验,主要采用了热处理和外加纵向磁场的方式对2319铝合金电弧增材制造进行成型质量的调控。2319铝合金电弧增材制造成型件表面成型不好,精度有待提高。微观组织呈现分层特征,组织形态呈现枝晶、等轴晶和柱状晶,相组成为α-Al和θ（Al2Cu）相。对X、Y和Z三个方向力学性能进行研究,发现三个方向具有明显的各向异性,其中Y向的力学性能最好,抗拉强度为249 MPa,屈服强度为157 MPa,延伸率为20.52%。为了进一步强化沉积态的力学性能,对成型件进行热处理。通过优化确定了最佳的热处理工艺为:T6（540℃/5 h+175℃/6 h）处理。经过固溶处理后在铝基体中形成过饱和固溶体,时效后重新细小弥散析出,相组成为α-Al和θ（Al2Cu）相。T6处理后,X、Y和Z三个方向的力学性能得到大幅度提高,其中Y向的抗拉强度可达499 MPa,屈服强度可达385 MPa,延伸率为19.58%,主要强化机制为弥散强化。外加纵向磁场后成型件表面平整光洁、焊道均匀平直。外加纵向磁场可以细化晶粒,促进等轴晶形成。气孔的分布形式由层间集中分布变成分散分布。外加纵向磁场后力学性能大幅度提高,C+P+A模式下改善更为显著,Y向抗拉强度为350 MPa,屈服强度为231 MPa,延伸率为18.93%。通过对2319铝合金构件成型试验研究发现,外加纵向磁场时“相交”路径下接头成型情况最好。

关键词： 铝合金   电弧-填丝增材制造   成型尺寸   气孔率   组织性能   3D零件  

摘要： 电弧+丝材增材制造（WAAM）技术是一种以电弧为热源,金属丝材为填充料,通过逐层沉积材料直接制造复杂形状金属部件的数字化技术。由于它具有节省时间和成本的潜在优点,受到人们的极大关注,并且在航天航空、船舶、工业制造等方面被广泛应用。目前,基于金属的增材制造（AM）技术主要是基于高能束的工艺技术,如激光、等离子束、电子束等增材制造技术。这些技术已经达到了高度成熟,并在商业上也得到了实践。然而,它们成本密集,需要高精密度仪器,以及特殊的工作环境（例如电子束熔化技术的工作环境需要在真空中）,这限制了它们在制造中型或大型部件方面的应用。而电弧+丝材增材制造技术为大中型构件的金属材料增材制造提供了可能。铝合金作为工业上常用的有色金属结构材料,具有特殊的物理与化学性质,如对氧的亲和力大、熔点低、导热系数高、热膨胀系数大等,其电弧-填丝增材制造产品除了常规的微观组织不均匀、力学性能下降等问题,还存在气孔、夹杂、热裂纹、表面流淌严重和成型后金属性能不足等问题,而气孔与成型精度差是铝合金电弧-填丝增材制造中最常见的缺陷。本文采用基于冷金属过渡（CMT）的铝合金电弧-填丝增材制造（WAAM）技术,系统地研究了铝合金试样的成型尺寸、熔池动态、气孔率、组织性能。本文主要研究工作如下:（1）介绍了基于CMT的WAAM系统,该系统主要由FANUC机器人操作系统和三维路径仿真软件（3D Printing）组成。（2）采用Al-Si焊丝（ER4043）为填充丝,通过单一改变送丝速度（WFS）、行进速度（TS）和焊枪角度（WT）对单层单道试样成型规律进行研究。当行进速度为0.6m/min,送丝速度为7.0m/min,焊枪角度α,β均为90°时,单层单道焊缝成型表面光洁平整,无飞溅、驼峰、咬边等缺陷,且焊缝成型尺寸适中,成型质量良好,但其气孔率较高。当焊枪角度α,β偏向90°,可有效减小气孔尺寸,降低气孔率,从而减少焊缝缺陷,获得综合性较为良好的焊缝。（3）采用WAAM-CMT系统制造Al-Mg合金零件。采用Al-Mg焊丝（ER5356）作为填充丝,通过调整送丝速度（WFS）和行进速度（TS）来控制热输入量,制造多层多道（实体墙）铝镁构件。且采用光学显微镜（OM）、X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）和能谱仪（EDS）对实体墙试样的宏观形貌和微观结构进行表征并对试样的显微硬度和拉伸性能进行研究。当WFS为7.0m/min,TS为0.9m/min时,Al-Mg合金试样层内区域晶粒尺寸为42.9-88.7μm,试样层间区域晶粒尺寸为37.7-77.6μm,而在其它WFS/TS下,相同试样区域晶粒尺寸都较大。而Al-Mg合金试样金相组织主要相为α-phase（Al）和β-phase（Al3Mg2）,相组成受WFS和TS影响显著。不同WFS/TS参数下的Al-Mg合金试样力学性能相对稳定,平均显微硬度呈现70-77Hv的均匀特征。拉伸试样的抗拉强度（UTS）、屈服强度（YS）和伸长率（E%）分别在255±5MPa、128±10MPa和23.2%±3%区间。而对于所有Al-Mg合金试样,断口都表现出典型的韧性断裂特征。（4）采用CMT/CMT+Advance模式,结合3D Printing切片软件快速设定增材成型路径,进行复杂的Al-Si合金零件的制造,分析焊丝熔滴尺寸、零件成型尺寸以及验证基于CMT的铝合金WAAM系统制造零件的稳定性。

关键词： 异种金属焊   CMT电弧沉积   钢   铝硅合金   铝锌合金   铝锡合金  

摘要： 随着现代发动机向高速、重载方向的发展,铝-钢复合滑动轴承因强度高、导热性好、价格便宜的优点越来越多的替代锡基和铜基合金轴瓦被广泛应用于乘用车上。为了进一步提高铝基合金层与钢背之间的结合强度,以及拓展铝基合金层在厚壁钢背上覆合的新工艺。本文以CMT电弧沉积的工艺方法,分别以Al-Si系、Al-Zn系焊丝为电弧沉积材料,进行了铝基合金-钢背双金属层的电弧沉积实验,系统研究了Al-Si系、Al-Zn系铝基合金焊丝在Q235钢板上单层单道电弧沉积特性,观察并测量了电弧沉积所得焊缝的外观、气孔率、接触角α以及熔宽的变化。在此基础上,研究了上述两种铝基合金焊丝在Q235钢板上的单层多道电弧沉积特性,以及焊缝的显微组织和力学性能进行研究。此外,本文还对Al-Sn合金在Q235钢板上的单层多道电弧沉积特性也进行了初步探索。实验结果显示,对于Al-12Si/钢异种金属间电弧沉积而言,焊接速度60 cm/min,干伸长4.0 mm,焊接电压Avp为90%Ux,焊接电流50 A为进行单层单道焊的优选电弧沉积参数。用这组参数电弧沉积所得到的焊缝宽度均匀,外表光亮,与钢板的结合良好,剪切强度高,但焊缝内部仍存在较多的气孔,且焊缝与钢板间的润湿性较差,“接触角α”小于90°。如果进行单层多道焊接,摆焊幅度3.0 mm,摆焊频率2.5 Hz,焊接速度30cm/min,干伸长4.0 mm,焊接电压Avp为90%Ux,焊接电流65 A则是优选的焊接参数。此时所得到的焊缝不仅外表光亮,焊缝铺展性能良好,焊缝与钢板间的“接触角α”大于90°,与钢板无明显开裂现象,结合强度高。由于“摆焊”工艺的加入,气孔率得到明显下降。进行Al-12Si/钢单层多道电弧沉积时,当焊接电流为50-55 A时,由于焊接热输入较小,第二道焊缝与前一道焊缝重合部分仅存在着微区熔化,此时进行单层多道焊的最佳平移距离为0.8-1.0倍焊缝宽度。当焊接电流在55-70 A之间时,由于焊接电流较大,既没有引起焊缝与钢板间产生明显的开裂现象,同时又能使后一道焊缝与前一道焊缝间产生较大区域的熔化与重合,因而最佳平移距离可以控制在0.6-1.0倍焊缝宽度范围内。对于Al-4Zn/钢异种金属间电弧沉积而言,焊接速度60 cm/min,干伸长4.0 mm,焊接电压Avp为90%Ux,焊接电流50 A为进行单层单道焊的优选焊接参数。所得到的焊缝宽度均匀,外表光亮,无明显的气孔,与钢板的结合良好,剪切强度高。在采用摆焊工艺时,优选的工艺参数则是:摆焊幅度3.0 mm,摆焊频率2.5 Hz,焊接速度30 cm/min,干伸长4.0 mm,焊接电压Avp为90%Ux,焊接电流65 A。在优选的工艺下所获得的焊缝宽度均匀,外表光亮,与钢板无明显开裂现象,结合良好。然而对于Al-4Zn/钢异种金属间电弧沉积,Al-4Zn焊丝中Zn元素的存在对其电弧沉积特性具有不利的影响,无法通过摆焊工艺参数实现单层多道焊。Al-12Si在钢板进行表面电弧沉积所得焊缝处IMC层厚度不均匀,靠近钢一侧IMC层呈平直状,靠近铝侧呈锯齿状,说明其生长方向是从界面向铝侧生长。Al-4Zn在钢板进行表面电弧沉积的焊缝界面上,IMC层在靠近铝侧区域呈现平直微区形貌,而靠近钢侧则呈锯齿状生长。在铝锡合金的电弧沉积实验中,用先铺锡粉的工艺所获得的铝-锡合金区较薄,且锡粉板结现象严重,电弧沉积层中Al与Sn不能完全混合。相比之下,用先电弧沉积锡层的工艺所得电弧沉积层中Al和Sn混合均匀,铝-锡合金区厚度达到毫米尺度。不过从总体上,本文对于An-Sn合金的电弧沉积工艺仅仅是初步的探索,具有实用化前景的工艺方法尚未形成,还有待于更深入细致的研究。

关键词： 电弧增材制造   多层多道熔敷   熔敷道搭接模型   熔敷层叠加模型   加工过程规划   成形特性   尺寸控制  

摘要： GMA增材制造技术是一种以电弧作为热源将金属丝材熔化的增材制造方法。GMA增材制造成本低,对现场装配要求简单,可用于成形复杂程度中等、尺寸较大的金属零件。采用GMA增材制造方式加工的零件可分为多层单道(单墙壁)零件和多层多道零件两种。近些年,针对单墙壁零件的相关技术已经处于成熟阶段。本文以多层多道熔敷为研究对象,以提高成形精度为目标,深入研究了具有不同结构的堆敷路径排布准则,并在此基础上开展了多层多道熔敷成形特性和尺寸控制的研究。首先,建立了机器人GMA增材制造加工软硬件系统平台,实现了待加工零件的模型建立、分层切片、路径规划、参数规划和实际堆积成形等功能。开展了不同参数条件下单熔敷道成形实验,并开发了熔敷道成形尺寸和加工参数的正反向预测算法。为消除起弧、弧端成形不良的现象,采用混合路径成形闭合熔敷层,建立了熔敷道平行搭接模型和T字搭接模型。发现了熔敷道平行搭接过程中出现的道中心偏移现象。获取了不同加工参数条件下熔敷道的偏移距离,建立模型对偏移距离进行预测。验证实验结果表明,所建立的熔敷道平行、T字搭接模型可成形搭接良好、表面平整的闭合熔敷层。研究了多熔敷层叠加成形不同块状结构的过程模型。分别针对平板成形直立结构、倾斜结构以及支撑轮廓内堆积的过程进行了深入剖析。发现了熔敷层叠加后层边缘处的材料缺失区域,提出了采用修改层边缘熔敷道堆积速度的方法解决了材料缺失区域带来的成形缺陷问题。在开环条件下进行了不同结构的多层多道熔敷成形实验,并研究了层内堆积顺序对成形形貌的影响。此外,为满足零件表面缺陷修复应用的基本需求,研究了支撑轮廓几何参数与填充熔敷道尺寸的关系。为保证支撑轮廓侧面与填充熔敷道充分熔合,研究了轮廓侧壁的倾斜角度的工艺区间。验证实验结果表明,所提出的层叠加模型可应用于破损模拟件的自动化修复。修复区域主体部分加工误差小于0.30mm,材料利用率达到97.3%。设计了基于线结构光传感器的多层多道熔敷成形尺寸检测算法,可自动获取单熔敷道的净成形轮廓与高度信息。采用开发的检测算法进行了熔敷道的成形规律研究。分别研究了块状结构内各位置熔敷道沿高度方向、沿堆敷方向高度变化规律,探索了负斜面(悬空斜面)塌陷程度的影响因素。开发了多层多道熔敷成形过程仿真软件,对直立结构、倾斜结构以及变参数条件下成形件的横截面形貌进行模拟。通过对比模拟结果和实际成形零件横截面,对模拟过程的准确性和所总结规律的正确性进行了验证。为保证GMA增材制造条件下零件各熔敷层成形高度与预设高度一致,提出了基于“层间检测+参数调整”思想的层间控制策略。根据零件实际成形高度与预设高度的偏差及变化,调整下一层相应位置熔敷道的堆积速度,对产生的成形偏差进行弥补。针对多层多道熔敷的特殊要求,提出了控制过程中,被控变量数目改变条件下的控制器参数的处理方法。基于所开发的多层多道熔敷过程仿真软件,优化了模糊推理机参数。进行了不同初始条件下多层多道熔敷成形控制验证实验。结果表明,所提出的控制策略和设计的控制器达到预期调控目的,成形验证件中各熔敷层表面均匀平整,直立结构成形偏差小于0.20mm,倾斜结构成形高度偏差小于0.26mm。最后,结合了本论文提出的关键技术,进行了典型复杂模拟件的实际成形验证实验。所设计的零件具备厚壁、悬空倾斜以及多构件组成等几何特征。进行了相应的分层切片、过程规划、参数规划等步骤。在实际的堆敷过程中,采取层间调控策略,通过调节堆积速度的方式减少零件成形高度偏差。零件成形表面高度偏差最大值为+0.79mm,最小值为-0.59mm,误差均值为0.03mm。零件中所有位置的层宽均大于预设数值。加工过程稳定,零件成形精度高,各熔敷层平整度好,达到预设加工目的。

关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡焊   红外视觉   温度特征分析   缺陷智能识别  

摘要： 随着电弧增材制造技术的高速发展,金属增材制造作为一种热点增材制造工艺,近年来受到重点关注。然而,针对金属增材制造过程“反复热循环”以及定向散热造成的热应力以及形貌尺寸偏差累积等固有缺陷,研发其控形控性技术是提高增材制件成形性能与成形质量的重要手段。因此,本论文搭建了一套基于红外视觉的冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)电弧增材制造过程检测系统,通过深入研究增材制件缺陷的红外图像与温度分布数据,探明正常和缺陷样件的温度场关联规律与红外图像特征信息,据此设计缺陷自主识别与智能分析算法,最终为CMT电弧增材制造工艺提供一种控形控性方法。本论文的主要研究结论包括:(1)成功搭建了一套基于红外视觉的CMT电弧增材系统,选用FLIR A320和GC86G两款红外热像仪相配合,根据CMT技术特性,设计机器人匹配组装夹具与热像仪保护装置,成功开发出配套的红外检测系统硬件部分,有效的实现了CMT电弧增材过程红外图像和温度数据等信息的采集。(2)设计实验成功制造出无缺陷样件及表面气孔或孔洞类、飞溅、塌陷/驼峰类、焊缝不均等形状类等4类典型问题样件,利用红外检测系统采集各过程的红外图像和温度数据,并利用热电偶接触式温度采集系统进行测温及标定。(3)探明了上述4类典型问题样件和正常样件增材制造过程中的温度场关联规律,分析每类问题产生时对应的红外图像的详细特征,设计了缺陷自主识别算法。(4)采用C++语言开发了CMT电弧增材“温度-缺陷”智能分析系统软件,能够实现增材制造过程红外图像和温度数据的实时采集、显示、自主识别增材制造过程中的4种典型问题,同时记录增材制造全过程。

关键词： 电弧增材制造   焊道建模   路径规划   后处理加工  

摘要： 机器人丝材电弧增材制造(WAAM)是指通过增加材料层而不是常规减材制造技术,通过3D CAD模型沉积材料层来构建零件。但现在机器人电弧增材制造软件多依赖于在现有软件二次开发,本研究通过java语言直接开发一种丝材电弧焊接增材制造软件,实现通过从STL(stereolithography,光固化立体造型术)模型输入到直接生成部件的自动化电弧增材制造。机器人自动化增材制造的工艺规划中的主要步骤包括stl模型切片生成2.5D层,为这些层生成沉积路径,确定与沉积路径相关的焊接参数(送丝速度、行走速度和干伸长等)和对工件进行后处理加工。具体步骤如下:通过CAD软件建立三维实体模型,选择合适的角度和步长输出STL模型,通过切片程序沿着增材方向被切成一组2.5D层。现有切片算法主要包括等厚切片、自适应切片和多方向切片算法,切片完成后通过路径规划程序计算每层沉积路径,由于基于电弧焊接的丝材增材制造系统比基于粉末的增材制造系统产生大得多的沉积物,因此沉积路径显著地受构件几何复杂性和所选择的材料的影响。开发的基于Voronoi图的中轴转换策略可以产生无空隙沉积路径,解决了复杂构件沉积问题。通过人工神经网络模型建立了焊接模型数据库,为焊接控制提供数据,根据期望路径高度和宽度选择相关联的焊接参数,确保路径无缝隙沉积。本研究采用不锈钢等材料的电弧焊接工艺建立了人工神经网络单道模型,并通过实验确定了一个最佳的焊接参数用于通用的增材制造过程。将人工神经网络模型和多焊道重叠模型都集成到路径规划方法中,允许对应于所生成的偏移路径自动匹配最佳焊接参数。最后,通过机器人进行一系列后处理加工操作加工沉积构件以产生具有所需尺寸公差的成品部件。加工路径可以通过将沉积路径偏移来确定并可以在沉积一定高度同时进行后处理加工,避免了构件重新固定,简化了后处理加工过程。

关键词： CMT电弧增材制造   TC4钛合金   微观组织   拉伸性能  

摘要： TC4钛合金是目前航空航天领域应用最广泛的钛合金,对于形状较为复杂的大型整体结构件,主要采用“锻造+数控加工”或“分体制造+焊接”者及螺栓连接等方法,这使得材料利用率低、制造成本高且生产周期长。电弧增材制造技术能够实现较复杂钛合金结构的无模具、快速成型。然而,传统的焊接电源热输入量大,电弧增材制造钛合金易形成外延生长的β柱状晶粒。冷金属过渡（Cold metal transfer,CMT）焊接电源具有热输入量低、熔滴过渡稳定等优势,将CMT焊接电源应用于增材制造技术,可实现大型结构件制备的低成本、高效率和高灵活性。本文以应用最广泛的TC4钛合金为研究对象,重点研究CMT电弧增材制造TC4钛合金宏微观组织演化规律、微观组织调控的方法以及降低力学性能各向异性的举措,主要的研究内容和结果如下:1.送丝速度大于4.0m/min时,获得的TC4钛合金均呈现外延生长的粗大β柱状晶粒,且在β晶粒的晶界上会形成块状αM相,块状αM相织构强度偏高,最大值达到36.8。送丝速度小于3.0m/min时,通过调整合适的焊接速度,在热输入量小于1350J/cm时,连续生长的β柱状晶粒消失,得到宏观形貌为非等轴不规则的β晶粒。设计了七组热输入量接近的不同小送丝速度下阶梯试验,得出送丝速度3.0m/min、焊接速度0.48m/min下原始β晶粒剖面面积最小。该参数下TC4钛合金微观组织特征为:第一层以针状马氏体α?相为主。完成第二次沉积后,在第一层下部会形成层带结构,层带结构白亮区无明显晶粒存在。在第五层沉积试样中,第四个层带结构的白亮区有细长的α+β相析出,经历五次热循环作用后,微观组织的变化规律趋于稳定。2.在送丝速度3.0m/min、焊接速度0.48m/min下制备的阶梯式样,魏氏体组织区α相按β→αGB→αWGB→αWM→αS的顺序析出;马氏体组织区α相按β→α'→αWM的顺序析出。在该参数下连续沉积制备的CMT电弧增材制造TC4钛合金沉积态宏观下是非等轴不规则大小的β晶粒,织构强度有所降低,最大值16.2。微观α相组织主要有魏氏体组织、马氏体组织和层带结构组成。3.固溶时效处理（Solution+Aging treatment,SA）对α相均有粗化现象。固溶炉冷（Furnace cooling,FC）试样中,αWGB在930℃会出现球化、在900℃出现熔断现象,αWGB在870℃保持原有形貌。α?在930℃和900℃出现团聚现象,在870℃会在原位基础上析出形成片层状;马氏体内部析出的αWM宽度依次变小。固溶空冷（Air cooling,AC）试样中αWGB均保持原有形貌的基础上粗化,马氏体区的α?在930℃和900℃出现团聚现象,在870℃保持了原有形貌;马氏体内部析出的αWM宽度依次变小,且在870℃析出不充分。经比较,CMT电弧增材制造TC4钛合金在870℃,1h/FC+600℃,2h/AC下热处理各区域微观组织较均匀。4.沉积态下的拉伸性能存在各向异性,层带结构的存在、微观α相组织的不均匀性是造成力学性能各向异性的根本原因。对比固溶时效处理（SA1:800℃,1h/FC+600℃,1h/AC;SA2:870℃,1h/FC+600℃,2h/AC）和时效处理（Aging treatment,AT:600℃,2h/AC）拉伸结果得出抗拉强度随热处理温度的升高而降低,但塑性随温度升高变好。在AT试样中,抗拉强度最高,但延伸率低于标准值。在SA1、SA2试样中,抗拉强度和延伸率均能达到锻压件的标准值。对三组热处理状态的各向异性进行了评估,延伸率的各向异性表现显著高于抗拉强度和屈服强度,在SA2试样中表现出最低的各向异性。5.在热处理的AT、SA1、SA2试样中,纤维区的韧窝依次由大变小、由浅变深,剪切唇区的断口由准解理特征向大小一致的韧窝形貌转变。SA1和SA2试样中发现孔洞主要聚集在β晶界和αGB相附近、α板条的内部。三种热处理条件下断口附近α板条宽度与抗拉强度和屈服强度满足Hall-Petch关系。在SA1、SA2试样中观察到垂直于载荷方向的拉伸裂纹,在裂纹尖端会形成较大的塑性区以松弛应力,并推迟主裂纹产生,故固溶实现处理后的材料表现出较高的塑性。

关键词： 增材制造   等离子电弧   机械性能   各向异性  

摘要： 增材制造,又称3D打印,是一种新型的制造技术。相比于传统加工方法,具有无模具、快速、近净成形等优势。为了使增材制造构件在工程中得到更广泛的应用,研究其力学性能尤其是疲劳性能就十分重要。本课题基于等离子电弧,以316L不锈钢焊丝为材料进行增材制造。首先,针对沉积单道的表面成形质量及宏观尺寸,采用正交试验方法研究焊接电流、送丝速度和沉积速度对表面成形及宏观尺寸的影响。接着根据选取的最优工艺参数进行增材块体的堆积,分别对平行于单层(SD)、45°和平行于堆积方向(BD)三个不同的方向进行取样。通过金相组织、扫描电镜、电子背散射衍射等观察微观组织,通过单轴拉伸、疲劳等力学性能试验分析不同方向的差异。并且将微观组织与力学性能相结合,深入分析微观组织对增材制造316L不锈钢各向异性的影响,得出以下结论:不同工艺参数对沉积单道宽度的影响,焊接电流>沉积速度>送丝速度;对沉积单道高度的影响,送丝速度>焊接电流>沉积速度;对沉积单道宽高比的影响,送丝速度>焊接电流>沉积速度。当道间距为4.5 mm时,得到的单层表面平整。SD样品和45°样品的拉伸性能和疲劳性能相差不多,说明在垂直于堆积方向的平面内没有表现出明显的各向异性。然而,BD样品的拉伸性能和疲劳性能劣于SD样品和45°样品,表现出了各向异性。三个方向在10～6下的疲劳强度分别为170 MPa、180 MPa和140 MPa,劣于传统方法得到的316L不锈钢。增材制造得到的材料出现的各向异性,主要归因于微观结构和缺陷的方向性。增材制造所特有的微观结构对机械性能的提升具有促进作用,而缺陷的存在则不利于机械性能的提升。缺陷对于疲劳性能的影响远远大于对拉伸性能和冲击性能的影响,其拉伸性能可以达到锻件的水平,而疲劳性能则远低于锻件的水平。针对不同方向上的疲劳寿命,提出了一个基于应变能量的疲劳寿命预测公式,可以同时预测三个方向,并且误差在一个可以接受的范围内。