关键词： CMT增材制造   4043铝合金   显微组织   疲劳   棘轮  

摘要： 增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术,也称“3D打印”等。增材制造技术自20世纪末才有了大力发展,增材制造技术是一种新兴的制造技术,通过逐层累加材料以达到设计要求的制造技术。增材制造技术提高了材料利用率,能大大节省材料,甚至说不消耗不必要的材料,且在制造时无需使用专用的模具,省去开模的时间,从而降低制造成本。增材制造可以实现两个功能:一是修复和恢复破碎机械零件的原始尺寸,二是对采用标准成形工艺难以成形的复杂零件进行脱模和直接无模打印。金属产品的应用范围和能力在不断扩大,并且这些产品正在使用更复杂的技术来制造。铝合金增材制造研究对工业产品的设计和安全性评价具有重要意义。本文采用机器人冷金属过渡(CMT)技术成功的打印出4043铝合金墙体结构,分别对增材制造4043铝合金的底部、中部和上部等不同部位的显微组织和力学性能进行分析,通过不同区域的组织变化分析4043铝合金增材制造过程中不同区域的冷却速率以及不同部位的性能。分别取垂直和平行于打印方向的样本进行低周疲劳和拉伸性能测试,疲劳中出现的棘轮研究采用不对称加载的方式,分别研究应力幅和平均应力的变化对增材制造铝合金棘轮行为的影响。将棘轮后的试样进行拉伸性能测试与未进行棘轮试验的试样拉伸结果进行分析,以便分析棘轮行为的影响。结果表明,CMT增材制造4043铝合金的树枝晶组织具有明显的方向性,?(Al)+Si的二元共晶组织主要分布在晶界处,晶粒内部主要分布着?(Al)。增材制造铝合金中间区域的枝晶比顶部和底部区域的枝晶大,并且在层间结合处的晶粒组织明显大于层间晶粒组织,这也直接导致其力学性能下降。垂直于增材制造方向的铝合金具有165MPa的抗拉强度和50 MPa的屈服强度,平行于打印方向的铝合金具有70 MPa的平均屈服强度,171 MPa的平均抗拉强度以及良好的延展性。低周疲劳循环次数在5×10的寿命极限分别为132.078 MPa和140.614 MPa,低周疲劳过程中出现的棘轮应变变化分为三个阶段,初始阶段很短暂且应变率高,由不闭合的磁滞回线引起瞬态棘轮现象,在第二阶段,棘轮应变在若干周期内表现出稳定的速率变化,最后阶段,棘轮应变速率迅速增大直到断裂失效。断口韧窝底部有显微空洞的存在,棘轮过程中显微空洞在循环载荷的作用下不断长大,多个相邻显微空洞同时长大,最终空洞相连导致断裂。基于疲劳断裂机理进行分析,增材制造铝合金裂纹扩展多以穿晶形式进行,夹杂和气孔处易于裂纹形核,棘轮过程中滑移带的侵入挤出在增材制造铝合金的金属上形成粗糙不平表面,导致微裂纹的形成,裂纹的扩展会具有Z字型的扩展路径。垂直和平行于打印方向的增材制造铝合金棘轮行为表明,平均应力或应力幅值的增加导致棘轮应变的增加,并且棘轮应变的不断积累会引起金属材料的塑性损伤,与未棘轮试样相比,预棘轮行为导致拉伸强度和屈服强度增加。

关键词： 电弧堆焊   增材制造   成形质量   层高稳定机制   焊道形貌  

摘要： 电弧堆焊增材制造技术具有设备成本低、成形效率高、成形零件致密度高等优点。利用减材加工技术改进增材制造零件的表面质量，有助于解决具有复杂空间结构零件的制造难题。但是目前对电弧堆焊增材制造技术的研究仍处于起步阶段，并且成形过程中的稳定性和成形质量难以保证。本文提出了一种多工位调姿作业增减材复合制造装备方案，并通过工艺实验和计算流体力学仿真研究相结合的方式，对可持续堆焊工艺开展了研究。　　首先，针对电弧堆焊增材制造的实现需求，设计了多工位调姿作业增减材复合制造方案，在完成电弧堆焊增材制造装备系统集成的基础上，设计了装备的控制系统和软件系统。　　其次，针对电弧堆焊增材制造提高成形质量的需求，设计了单层焊接和连续堆焊工艺实验，研究了各工艺参数对堆焊工件形貌的影响，得出了合理的工艺参数选取范围。并对可持续堆焊的进行了研究，通过工艺实验发现其它参数不变时，设定层高与实际堆焊层高之间的动态平衡关系，实验结果表明设定层高选取合理时，堆焊的零件高度与预期值的误差可以控制在0.15%内。　　然后，对电弧堆焊过程中的层高稳定机制进行了研究。通过测量不同设定层高下进行堆焊时的电弧参数，分析了设定层高对零件热输入的影响。分析了连续堆焊过程中零件散热条件的变化，连续堆焊到一定高度后，散热条件保持不变。设定层高取值合理可以保证电弧输入到零件中的热量恒定，熔融金属凝固成形后尺寸稳定，当堆焊层高与设定层高近似相等时，便实现堆焊增材制造持续进行。　　最后，研究了设定层高对焊道形貌的影响。通过建立Flow3D仿真模型，对不同设定层高下熔池中的温度场和液态金属流动状态进行了研究，分析了由于设定层高不同导致的电弧功率变化，对焊接熔池的状态和焊道形貌的影响。

关键词： 高锰铝青铜   CMT   增材制造   组织性能  

摘要： 本文主要针对国内外就CMT电弧增材制造高锰铝青铜的研究现状为本体对象,试图理清本研究内容的历史脉络,了解CMT电弧增材制造高锰铝青铜的发展过程和相关成果,并分析该研究现状目前所存在的问题,通过本文对该合金制造的研究作回顾性综述,并了解高锰铝青铜合金的电弧增材制造方法未来前景与展望.

关键词： 激光-电弧复合   增材制造   4043铝合金   微观组织   力学性能  

摘要： 铝合金因其具有低密度、高比强度、强耐腐蚀性、高热导率、易加工成形、低成本等优点,在航空航天、汽车交通、电子通讯等多个领域有着广泛的应用。采用传统工艺（如铸造）制造复杂铝合金结构存在工艺难度较大、生产周期长、所得样件含气孔或夹杂缺陷等问题。增材制造是一种自下而上、材料逐层累加的制造技术,具有极大的加工灵活性,可实现复合结构的自由制造。本文探索了铝合金结构激光-电弧复合增材制造技术工艺,与以丝材为原材料的激光增材制造技术和电弧增材制造技术相比,复合增材制造技术改善了激光增材制造中铝合金对激光反射率高、极易产生飞溅,以及电弧增材制造样件组织粗大等问题。本文通过比较电弧增材制造、激光-电弧复合增材制造4043铝合金结构,分析了成形样件的微观组织和力学性能,以及微观组织对力学性能的影响。主要研究内容及结论如下:（1）选择适当的工艺参数,包括电弧电流等电弧工艺参数、激光功率和脉冲频率等激光工艺参数、搭接率等,制备激光-电弧复合增材制造4043铝合金结构,为后续微观组织分析和力学性能检测提供样件。（2）分析复合增材制造工艺所得成形样件的微观组织演变规律,探究激光和扫描路径对微观组织（晶粒形态、尺寸、生长方向和择优取向）、元素分布和相组成的影响,并与电弧增材制造样件进行对比。结果表明,当采用的激光功率密度达到10～6 W/cm2～10～7W/cm2时,激光-电弧复合增材制造样件与电弧增材制造样件微观组织存在明显差异,激光-电弧复合增材制造样件热影响区较小,激光作用区晶粒显著细化且该区域内Al、Si元素分布更加均匀。当采用层间交叉扫描时,晶粒生长方向发生变化,XRD结果表明晶粒择优取向发生了变化。（3）开展复合增材制造样件显微硬度和拉伸性能评价。结果表明,激光-电弧复合增材制造样件平均硬度较大,且激光作用区的硬度值显著高于其他区域,采用层间交叉扫描路径后硬度变化较小;分析了拉伸断口特征和拉伸纵向截面的微观组织特征,得到了微观组织与力学性能间的关系,发现加入激光后样件强度和韧性都有所增强,而采用层间交叉扫描路径后成形样件韧性显著改善。

关键词： 热作模具钢   电弧增材制造   显微组织   力学性能   成形路径  

摘要： H13钢是一种常见的热作模具钢，广泛应用于汽车高强钢板的冲压制备过程。为了保证冷却的均匀性，冲压模具内部常需要制备随形冷却的复杂流道，而传统模具制备工艺难以满足随形冷却流道的制备需求。为此，结合目前快速发展的增材制造方法，研究H13钢模具的增材制造新工艺具有重要的工程应用价值。本文基于CMT平台研究H13钢的电弧增材制造工艺方法，旨在为使用电弧进行模具钢的增材制造提供基础。　　首先通过宏观形貌、尺寸稳定性、表面平整度、表面氧化情况等宏观指标来确定H13增材制造单道、单层以及块体的成形工艺。然后使用金相显微镜、扫描电子显微镜观察H13块体内部显微组织形貌特征，在块体内部不同区域截取拉伸试样，进行室温拉伸测试，探讨块体内部各区域显微组织与力学性能存在差异的本质原因。采用三种不同的成形路径制备H13块体，分析成形路径对显微组织及力学性能的影响。　　研究表明，采用s形路径，增材速度0.15m/min，送丝速度8m/min，沉积电流133A、沉积电压12.5V、保护气流量20L/min，道间停留时间93s，层间停留时间300s，可以制备出无宏观裂纹H13块体材料。块体主体区域内部组织为针状马氏体，横向平均显微硬度为479Hv，搭接区域组织为针状马氏体和不规则铁素体组织，平均硬度为381Hv。X、Y方向的抗拉强度分别为1605MPa、1460MPa，由于铁素体的存在使得Z方向的抗拉强度低于X、Y方向，为1309MPa。　　S形路径与同向路径的道间搭接区均存在因周期性热效应所产生的大晶粒铁素体带。交叉路径层间搭接的熔池区域内晶粒粗大，方向杂乱，同时还伴有铁素体的残留。交叉路径在各个面上的平均显微硬度均低于其他两种路径。三种路径之中S形路径在X、Y方向上的抗拉强度最高，分别为1588MPa和1486MPa。而交叉路径块体各方向力学性能更为均匀。

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： 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： 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。