关键词： 钛合金   组织特征   电弧增材制造   热处理   再结晶   拉伸性能   疲劳性能  

摘要： 电弧增材制造具有沉积效率高、组织致密、性能优异的特点，尤其适合航空领域大型钛合金结构件的快速成形。但是，现阶段电弧增材制造钛合金构件仍然存在拉伸性能偏低，塑性各向异性较为严重的问题，难以达到航空工业对构件耐久性/损伤容限技术使用要求。相对而言，热处理是改善电弧增材制造钛合金零件组织性能最有效的手段，不但不会因为引入机械塑性变形方法影响生产效率，还能够充分发挥电弧增材制造的低成本高效率优势。但是，有关热处理对电弧增材制造钛合金零件组织性能，尤其是疲劳性能，及其裂纹扩展行为的研究还非常缺乏。为此，本文系统研究了热处理工艺对电弧增材制造Ti-6Al-4V零件组织演变和疲劳性能的影响规律，主要结果如下：　　基于电弧增材制造Ti-6Al-4V热处理零件的微米薄片组织，发现了一种新的无塑性变形条件下由半共格界面能和弹性应变能驱动的微米薄片再结晶方式。该再结晶行为包含三种形核长大机制，分别为束域组织边界形核、束域组织内部形核和网篮状组织边界形核。其中，束域组织边界形核为单向应变和界面诱发晶界迁移（SDSIIGBM）机制，其它两种形核为双向SIIGBM机制。束域组织边界再结晶晶粒长大为一个与原束域组织伯氏矢量关系（BOR）一致一体的晶粒，符合外延生长机制;束域组织内部再结晶晶粒长大为一个与原组织 BOR 不一致的单独晶粒，符合球化生长机制;网篮状组织边界再结晶晶粒长大为与原组织 BOR 不一致的单独晶粒，同时具有外延生长和球化特征。　　研究了热处理工艺参数对电弧增材制造Ti-6Al-4V零件微观组织的影响规律，发现β相变点以下固溶水冷时效（900-WA）或近β相变点固溶水冷时效（950-WA），试样发生了再结晶和马氏体相变及分解，再结晶形成的薄片α相和马氏体相变中形成的细小（α+β）组织会在生长中穿过了连续的柱状晶晶界（αGB），破坏其连续性。在 β相变点以下或近β相变点空冷时效试样中发现再结晶α薄片相发生粗化，聚集成连续的αGB。但是炉冷时效，α相发生粗化并穿过αGB，导致其消失。在β相变点以上的固溶水冷试样和空冷时效试样（1050-AA）中，形成了针状α相或中等束域组织，均在生长过程中穿过αGB，并破坏了其连续性。　　得到了热处理工艺参数对电弧增材制造Ti-6Al-4V零件拉伸性能的影响规律，发现 900-WA 试样和 950-WA 试样中细小的薄片状（α+β）组织提供了更多的有效滑移长度，其拉伸性能均高于标准试样（屈服强度（YS）≥825MPa，延伸率（EL）≥10%）。前者YS和EL分别为886.5MPa和14.4%，后者YS和EL分别为904MPa和15.5%。在β相变以下或近β相变点固溶空冷时效和炉冷时效时，试样抗拉强度、YS和EL均低于锻造试样。相对而言，1050-AA试样拉伸性能达到锻造试样水平且塑性各向异性较低。发现因再结晶或马氏体相变而造成的αGB不连续比例和试样塑性各向异性满足线性关系。当αGB不连续比例大于0.6时，试样的塑性各向异性消失。这是因为当试样αGB为连续状态时，横向和纵向试样在加载应力作用下分别表现为张开型和滑移型断裂模式，从而表现出不一样的拉伸性能和明显的各向异性，但是不连续的αGB出现使得横向和纵向试样都表现为滑移断裂模式，从而降低了两者在拉伸性能上的差异性，减弱甚至消除了各向异性。　　探索了电弧增材制造Ti-6Al-4V试样微观组织对疲劳裂纹扩展速率（FCGR）的影响规律，结果表明去应力退火试样、900-WA试样、950-WA试样及1050-AA试样的FCGR均高于标准，分别降低了89%、87.4%、85%和94%。分析发现，疲劳裂纹扩展模式表现为：在加载应力作用下，裂纹尖端塑性区尺寸逐渐增大并超过晶粒尺寸，随后裂纹扩展方式由单一滑移系控制转变为多滑移或交滑移控制，并导致断裂方式由沿晶断裂转变为穿晶断裂，并使疲劳裂纹扩展速率在Paris区产生应力强度因子转折点（ΔKT）。结果表明，热处理优化试样的900-WA试样、950-WA试样及1050-AA试样ΔKT都高于锻造试样。900-WA、950-WA及1050-AA试样ΔKT分别比锻造试样高1.8 MPa m1/2，1.62 MPa m1/2，4.7 MPa m1/2。研究发现，当应力强度因子（ΔK）小于ΔKT时，去应力退火试样横向试样裂纹反复穿过连续的αGB并沿混合区组织扩展，纵向试样裂纹沿着网篮状组织扩展。因为两者的裂纹扩展方式不一致，导致纵向试样FCGR比横向试样高10%，形成疲劳裂纹扩展各向异性。对于热处理优化试样，因为αGB不连续或消失，横向和纵向试样两个方向裂纹扩展方式一致，因此不存在疲劳裂纹扩展各向异性。　　基于热处理优化试样获得了电弧增材制造Ti-6Al-4V短裂纹扩展规律，发现短裂纹平行或垂直于α相片层综合作用，导致裂纹扩展路径发生偏折

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   热力场   组织性能   ER2209双相不锈钢  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufecturing,WAAM)技术是以电弧作为热源,采用堆焊的方式打印金属零件的新型技术。其特点是设备造价低、工作效率高以及增材尺寸范围大。数值模拟研究方法以有限元理论为原理,利用软件模拟实际工况,其特点是减少实验成本和周期。ER2209双相不锈钢具有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特点,广泛应用在建筑、海洋和化工领域。本文以ANSYS软件为模拟软件,ER2209双相不锈钢为研究材料,模拟WAAM过程中热力场(温度场和应力场)分布,对增材零件形状和性能进行分析。采用ANSYS软件对WAAM过程中热力场进行模拟,分别采用多通道温度测量系统和X射线应力仪对温度场和应力场进行测量。利用模拟结果指导实验,采用WAAM系统打印形状良好的成型件。采用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、万能拉伸仪、维氏硬度计、纳米压痕测量仪和电化学工作站对零件组织和性能进行分析。利用正交实验确定一组工艺参数,可以使电弧稳定存在且试件表面平整。其中,增材电压为23V,焊接速度为200mm/min,送丝速度为11m/min。利用准确的模型分析表明,温度最高值出现在增材试样末端。随着温度降低,应力场逐渐增大,温度降到室温时,应力值最大为445MPa,其小于材料的抗拉强度,试样表面不会出现裂纹。当以ER2209双相不锈钢为增材材料时,温度随着增材电压、增材电流和增材层数的增加而增加,随着层间冷却时间和焊接速度的增加而减少。同向增材试样较反向增材试样更容易塌陷。基板通水冷却可以明显减少温度场累积。随着增材层数增加,等效应力在试样上分布不均匀,最大等效应力基本不变。冷却方式不同时,等效应力在试样上分布基本均匀,水冷最大等效应力大于空冷最大等效应力。以下层边缘温度不超过熔点作为零件不会塌陷的标准,每层高度增加量与层间冷却后平均温度之间的关系是:空冷状态增加量从3.25mm逐渐减少趋于2.37mm,水冷状态增加量从3.62mm逐渐减少并趋于2.38mm。当以ER2209双相不锈钢为增材材料时,组织中存在铁素体和奥氏体,没有Sigma相产生。WAAM零件的组织不均匀,空冷状态铁素体含量从40.49%降到21.76%,水冷状态铁素体含量从45.37%降到30.54%。WAAM零件不同区域,抗拉强度相差68MPa,延伸率相差6.5%,硬度相差10HV,点蚀电位相差0.4V。通过固溶处理,零件组织基本均匀。

关键词： 电弧增材制造   传热传质   电弧模拟   熔池   多物理场耦合  

摘要： 电弧增材制造技术是基于传统的焊接技术,主要的物理化学过程非常复杂,包括等离子弧燃烧、熔滴过渡、熔池流动和凝固以及复杂的热循环、应力应变等。这些宏观现象最终会影响微观组织的演变过程、晶粒形貌,从而影响成形件力学性能。为了实现结构件“控形”与“控性”并行制造的目标就必须探究电弧和熔池金属输运的内部机理,本文着重通过多物理场耦合数值计算的方法来解释其中的热质传递过程。本文通过合理的假设,建立了GTAW电弧的三维模型,并将模型导入到Fluent软件中进行求解。工艺条件为,焊接电流200A,焊接电压19V,焊丝半径1.6mm,送丝速度1.8m/min,焊接速度200mm/min,高纯氩气保护气(15.5L/min)。计算结果表明,电弧温度在18000K以上、电弧压力最大为900Pa、电弧等离子体流速最大为220m/s,电势差为9V(若考虑到鞘层区压降的作用,进行修正之后为20V左右,并且在等离子平衡状态下得到电磁力在X、Y正负方向上互相抵消)。高速摄像拍摄的电弧形貌与文中模拟的电弧轮廓大体相近,光谱法测得的电弧温度场分布规律和数值大小也与模拟的温度结果相同。在熔池金属输运模型中,采用与电弧模型相同的坐标系建立物理模型,且焊枪固定,金属流动。通过简化模型,将熔滴看成球状,并且以固定频率射入熔池的质量源,从而实现了质量输运。模型中需充分考虑多种因素的影响,包括电磁力、浮力、电弧压力等,还要考虑电弧的传热、熔滴的高温以及金属凝固过程的相变潜热,其中电弧的作用主要通过UDS插值和CSF方法加载到熔池模型中。最后结合自主编程,加载了上述综合的热力边界条件和气液两相的相互作用,得到了熔滴冲击下的焊道形貌及焊道表面和熔池的温度场分布(最大值为2200K)。最后通过红外摄像拍摄焊道的温度分布,得到的数值大小和模拟结果相同。本文基于实际模型,采用数值计算的手段,对电弧模型和金属输运模型中的传热传质的本质进行求解分析,揭示了其中的多物理场耦合结果,并且从热力学、流动力学、电磁学等多方面进行了机理研究,为今后的工艺优化以及零件的控形控性研究打下了基础。

关键词： 电弧增材   5356铝合金   脉冲交流成型   摆动成型   组织性能  

摘要： 大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成型是制造技术重要发展方向,在航空、航天、汽车及能源等工业领域具有不可替代的作用。增材制造是一种无模具,可直接低成本一体化制造复杂构件的新技术,其优越构型能力使现有制造技术在结构功能一体化制造方面难以实现的问题得以很好解决。本文以5356铝合金结构件电弧增材制造为对象,重点研究结合层和沉积层凝固机理以及热输入方式对试件组织性能的影响规律,具有重要的理论意义和应用价值。论文以5356铝合金焊丝为材料,进行电弧增材实验研究,通过分析不同堆焊结构件宏观形貌、微观组织及力学性能等变化特征,获得较优焊接工艺参数范围。在此基础上,分析成型件在不同区域和取样方向上的组织及力学特性,实验结果表明:堆焊成型结构件沉积层与结合层交替出现,在上、中和下不同取样位置晶粒尺寸相同,结合层存在大量气孔及缩孔等缺陷,沉积层没有观察到明显堆焊缺陷;水平方向上不同取样位置力学性能近似相等,平均抗拉强度和延伸率分别为274.0MPa和32.3%,垂直方向与水平方向强塑性相比并无明显变化;断口分析表明,在不同方向和取样位置均表现出均匀的塑性断裂,垂直方向拉伸断裂于结合层处,为整个结构件性能最薄弱部位。对比了有无脉冲交流时热输入方式对堆焊结构件组织和性能变化影响规律,研究结果表明:无脉冲交流成型试样晶粒较粗大,脉冲电流降低了成型过程热输入,细化了晶粒尺度,提高了结构件强塑性。脉冲交流成型件晶粒尺寸在50～100μm之间,约为无脉冲晶粒尺寸的一半;同时,脉冲电流使得β-Al3Mg2相分布更加均匀弥散且尺寸较小,与无脉冲时相比,其强度和延伸率分别提高10.9MPa和5.8%。两种热输入方式硬度值差别较小,沉积层硬度值保持在稳定的变化区间,结合层由于存在气孔和缩孔等缺陷而使该处硬度波动较大,在缺陷处硬度值较低。在此基础上,研究了摆动成型路径对结构件成型质量的影响,研究结果表明:摆动成型的组织不仅有沉积层与结合层相间的条纹形貌,而且往复摆动也会形成摆动结合层,且不同成型位置组织形态不同,上部区域沉积层主要为柱状晶,中部区域以等轴晶为主,下部区域为柱状晶与等轴晶混合形态。对比有无脉冲和摆动成型方式结构件力学性能,结果表明有脉冲交流成型件性能最好,摆动成型件性能次之,无脉冲交流成型件性能最差,其中脉冲交流成型的平均抗拉强度为277.5MPa,平均延伸率为31.0%。论文的完成能为铝合金电弧增材制造微观组织设计和性能调控提供理论依据和技术支撑。

关键词： 模具钢   电弧增材制造   成形工艺   组织性能  

摘要： 丝材电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)技术具有沉积效率高、生产制造周期短、成形件尺寸不受限制等优点,特别适用于小批量产品的生产制造,尤其是大尺寸、复杂形状零件的低成本、高效快速成形。本课题使用H13模具钢焊丝为添加材料采用熔化极气体保护焊方法进行增材制造,对模具钢增材制造过程的工艺特性、成形质量和增材制造件的性能进行深入研究,探索了单道焊缝成形良好的最佳工艺参数,进行了立壁样的成形、组织和性能的分析,设计了冷却装置实现了单道多层筒形件的连续成形,优化了多道焊时的道间距和焊枪倾角。采用Φ=1.0mm H13模具钢焊丝为添加材料,焊接电流I=140A,电弧电压U=25V,焊接速度v=4mm/s时单道焊缝成形良好。采用交错式堆积方式,实现了65层(H=160mm)的单道多层立壁件成形,立壁件成形良好,经X射线和渗透检测未发现气孔、裂纹、未熔合等缺陷。筒形件逐层堆积成形时,控制层间温度150℃,层间重合长度等于弧坑长度时筒形件成形高度均匀。对筒形件进行水冷,可实现连续成形,层间温度控制在150-200℃之间。厚大件制造时需层内多道焊缝,焊枪垂直于工件表面,焊接电流I=140A,电弧电压U=25V,焊接速度v=4mm/s时,道间距为5.5mm时表面相对平整,但是存在道间根部未熔合缺陷。焊接电流I=140A,电弧电压U=25V,焊接速度v=4mm/s,焊枪倾角为15°,道间距为4mm时,成形件表面平整且道间熔合良好。采用模拟软件对立壁件成形过程温度场演变进行模拟,发现熔敷层数增加,峰值温度升高,五层以后基本不变。对立壁件组织和性能分析表明立壁件沿着横向和纵向呈现力学性能各向异性。薄壁件长度方向的抗拉强度/延伸率是1187MPa/11.36%,高度方向抗拉强度/延伸率为886MPa/8.2%。拉伸断口存在大量韧窝,属韧性断裂。热处理后X轴方向和Z轴方向的抗拉强度值差别不大,各向异性现象基本消失。经过830°退火、870°淬火和550℃回火后立壁件延伸率升高,塑性增强。淬火温度升高,立壁件的抗拉强度增加,延伸率下降,断口由韧窝状断口变为穿晶断裂和沿晶界断裂并存的混合断裂形式。XRD检测表明热处理后立壁件主要为Fe、Ni、Cr的固溶体相。不同热处理工艺获得的试样的XRD图谱中峰的高度不同,830°退火,1030℃淬火时试样的峰值最高,结晶度最好。显微维氏硬度测试结果表明试样在870℃退火,1030℃淬火时硬度值最高,达到500HV;830℃退火1030℃淬火且550℃回火两次时硬度值最低,为314HV。

关键词： 电弧增材制造   过程缺陷   红外视觉   多传感器   在线监测  

摘要： 随着金属增材制造技术的发展,电弧增材制造技术作为新的成型工艺引起了越来越多的研究机构的关注,而电弧增材制造的过程监控是提高电弧增材制造质量和提高良品率的重要手段。为此,本论文搭建一套基于红外视觉和电流电压信号的电弧增材制造过程监测系统,通过实验采集了三种电弧增材制造缺陷过程的红外图像和电流电压信号,分别研究了红外图像特征和电流电压信号特征,并根据特征设计了对应的缺陷识别算法,从而为电弧增材制造提供一种多传感复合在线监测途径。本论文的主要研究结论包括:(1)选用波长为7.5～13μm的红外热像仪、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器,根据GMAW电弧堆焊增材制造特点,设计并搭建复合红外热场及电场信息的在线监测系统,实现电弧增材制造过程红外图像和电流电压信号的在线监测。(2)设计三组对比试验,并按照实验设计进行电弧增材制造实验,实验中成功的“制造”出了三种典型的电弧增材制造缺陷,采集到过程中的红外图像和电流电压信号。(3)通过3组对比实验成功采集到缺陷产生过程信号。对不连续、塌陷和气孔三种缺陷过程采集到的红外图像和电流电压信号进行了详细的特征分析,归纳了每种缺陷产生时对应的相应特征,为实现缺陷识别算法的设计奠定了基础。(4)采用OpenCV视觉库和函数,依据缺陷的相应特征,分别设计了相应的缺陷识别算法,能够实现不连续、塌陷和气孔三种缺陷的识别。(5)基于WPF(Windows Presentation Foundation)框架开发了电弧增材制造多传感在线监测系统软件,软甲界面友好,实现对增材制造过程红外图像和电流电压信号的实时检测,实时记录电弧增材制造全过程,并对过程中的3种典型缺陷进行识别。

关键词： 电弧增材制造   钛合金   各向异性   工艺   力学性能  

摘要： 钛合金因其优异的机械性能被广泛应用于航空、航天等领域,但是其高比强度、高剪切模量、低热传导效率等性能,导致传统加工方法制造难度大、加工周期长、加工成本高、材料利用率低,难以满足经济、快速的制造要求。增材制造技术具有快速响应、材料利用率高等优点,在航空、航天大型钛合金结构件领域中具有巨大应用前景。因此,为了满足增材制造技术未来在航空、航天大型钛合金结构件制造中的应用需求,本文开展了电弧增材制造TC4钛合金技术研究,首先针对其送丝方式导致的成形各向异性问题,从“送丝方式”和“工艺”两个方面提出了解决方案。同时为了实现大型钛合金结构件的快速制造,根据理论计算及实验验证,优化工艺参数,提高成形效率且降低热输入,然后根据不同路径成形样件的组织及力学性能优化成形路径,最后选取典型零件抽筒子,采用优化后工艺及路径进行试制。本文主要结论如下:1)同轴送丝及逐点成形工艺均可解决丝材增材制造中的成形各向异性问题。其中同轴送丝采用激光热源,在解决成形各向异性的同时获得了性能各向同性的样件,而逐点成形工艺在不添加额外辅助设备或控制系统的情况下,在三轴机床上成功解决了电弧丝材增材制造中的成形各向异性问题,并试制样件验证。2)在理论公式及实验经验的结合下,提出基于1.6mm TC4钛合金丝材的高效各向同性成形工艺,相比于原工艺成形效率提高了77.8%,同时通过降低基值电流、提高扫描速度,使得平均热输入降低了25%。3)成形路径的不同影响成形样件的成形质量及力学性能。成形路径中不同的层间搭接方式导致成形样件的成形精度及力学性能不同,交错的层间搭接方式虽然可以获得较好的成形轮廓,但由于其力学性能低下,故而选用连续搭接的成形路径,获得具有较好的力学性能的样件,同时留有加工余量,保证后期机加顺利。

关键词： 金属间化合物   电弧增材制造   显微组织   拉伸性能   预热   热处理  

摘要： Ni3Al与NiAl金属间化合物具有高熔点、低密度、高抗氧化性等优点,在航空航天领域应用前景广阔。通常,该材料主要以熔铸法制备,存在工艺复杂、生产周期长等缺点,阻碍了其商业化应用。电弧增材制造技术具有高效率、低成本与制造周期短等优点,对于Ni-Al金属间化合物制备有很大潜力。本文以等离子弧为热源,镍丝、铝丝/铝粉为填充材料,开展了Ni-Al金属间化合物电弧增材制造工艺研究。主要研究结果如下。研究发现双丝夹角,及其投影交点位置是影响沉积件成形质量的关键因素。当双丝夹角θ<30°时,低熔点铝丝会提前熔化,在熔池外部形成铝滴,无法稳定进入熔池,且会对熔池产生较大的冲击,导致沉积件表面起皱、侧边突出。当双丝夹角θ≥30°,且投影交点位置位于等离子弧后2mm时,铝丝会直接插入熔池,避免了上述现象,提高了熔池的稳定性和成形质量。研究了主要工艺参数,包括镍含量、热输入、预热与热处理对Ni-Al金属间化合物沉积件微观组织与力学性能的影响,发现随着镍含量的增加,显微组织由M-NiAl/Ni3Al双相组织逐渐向块状Ni3Al+γ-Ni/γ'-Ni3Al组织转变。当镍含量大于85.2wt.%时,零件全部由块状Ni3Al+γ-Ni/γ'-Ni3Al组织组成。其次,热输入越大,熔池峰值温度越高,流动性越好,凝固时间越长,铝元素分布越均匀。随着热输入的增加,沉积件组织逐渐由胞状晶组织向树枝晶组织转变,当热输入大于2.913 kJ/mm时,完全由树枝晶组织组成。热处理对沉积件物相组成和分布特征无明显影响,预热能够通过增加M-NiAl组织含量,减少γ+γ'共晶组织含量来抑制沉积件开裂倾向。当预热功率小于12.5 kW时,沉积件裂纹能够得到有效抑制。但是,随着预热功率的增加,γ+γ'共晶组织含量逐渐增加,开裂倾向增加。探讨了铝粉添加量对沉积件开裂倾向、显微组织与力学性能的影响规律,发现随着铝粉添加量的增加,沉积件的网状γ'-Ni3Al/γ-Ni组织、圆形颗粒状γ'相增加,增强了析出强化效应,从而增大了试样抗拉强度,但是减少了延伸率,及其塑性变形能力,导致试样开裂倾向增大。当铝粉添加量为1.03 g/min时,沉积件抗拉强度最大,延伸率最小,分别为519.4 MPa和26.7%;随着铝粉添加量逐渐增加至1.03 g/min,晶界γ'相逐渐增加,导致沉积件抗拉强度各向异性程度由纯Ni的0.05%增加至4.91%。

关键词： 焊接修复   增材制造   路径规划   数值模拟   残余应力  

摘要： 大型铸钢件的焊补工作是工序中重中之重的环节,其过程复杂,影响因素多。本文建立大缺陷多层多道和单层多道熔敷有限元模型,研究铸件大缺陷电弧增材修复过程中分层方式和层内熔敷路径对温度场、应力场的影响规律。首先,进行了CMT(Cold Metal Transfer,冷金属过渡)单层单道熔敷实验,研究不同工艺参数下的熔敷道的成形形貌,获得了成形良好的工艺参数范围。在此基础上,建立了熔敷速度、送丝速度、焊枪摆动幅度与熔敷道宽度和高度的回归方程,通过该方程可以分析熔敷工艺参数对熔敷道尺寸的影响。同时可以预估不同熔敷工艺参数时熔敷道的尺寸,从而为机器人的路径规划提供依据。将铸件大缺陷的形状简化为规则的曲面,建立曲面分层方式和平面分层方式多层多道熔敷的有限元模型,对多层多道熔敷过程的温度场、应力场分布进行研究。对比分析曲面分层和平面分层两种分层方式多层多道熔敷过程的温度场、应力场分布,结果表明,曲面分层方式成形后的散热条件好于平面分层方式。对比两种分层方式成形后的残余应力发现,在曲面的底部区域,平面分层方式的应力值比曲面分层方式的应力值小,在曲面的边缘区域,平面分层方式的应力值比曲面分层方式的应力值大。整体来看,曲面分层方式的应力分布更均匀平缓分别建立了在平面上和在球面上的单层多道熔敷有限元模型,研究了层内熔敷路径对温度场、应力场影响规律。结果表明,平面分层时,螺旋扫描路径成形后的应力值最小,且在熔敷层中部应力较小,在熔敷层边缘应力较大。长边扫描路径和短边扫描路径的应力分布整体趋势相差不大,垂直于熔敷方向的残余应力大于平行于熔敷方向的残余应力。曲面分层时,熔敷区曲面底部的应力大于边缘的应力,轮廓偏置扫描路径熔敷成型后的应力分布优于平行扫描路径。进行了多层多道熔敷实验和单层多道熔敷实验,对成形件的熔敷层进行了拉伸试验。结果表明曲面分层方式的成形件比平面分层的成形件拉伸强度高。平行于熔敷方向比垂直于熔敷方向的拉伸强度高。

关键词： 电弧增材制造   TC4钛合金   显微组织   力学性能   热处理  

摘要： 电弧熔丝沉积成形技术是将电弧作为热源,将同步送给的焊丝熔化形成液滴,随着沉积过程进行液滴不断落入熔池中最终形成沉积层。与其它增材制造技术相比,该技术具有材料的使用率高,制造效率高,能够快速制造大型金属复杂结构零件等特点,在航天、航空、船舶等领域具有广阔应用前景。本文对TC4钛合金电弧熔丝沉积成形工艺进行了研究。首先,对TC4钛合金电弧成形工艺参数优化,得到合适的工艺参数组合。结果表明:适合于TC4钛合金电弧成形工艺参数组合为焊接电压25.0V,送丝速度7.0m/min,焊接速度15.0mm/s,扫描间距3.5mm,层高2.0mm。其次,对比研究电弧和激光两种不同增材试样的显微组织,对两种增材试样的力学性能产生差异原因进行了详细分析。对比实验结果显示:两种试样的微观组织均为细小的网篮组织。经退火处理后,电弧试样显微组织变为粗大的网篮组织;激光试样显微组织中α相呈短棒状,两种试样的α相长宽比均减小。退火处理使试样强度略降低而塑性得到明显提高,两种试样沉积态和退火态的强度均相差不大,但电弧试样的塑性较低。最后,研究了不同热处理制度和取样方向对TC4钛合金电弧增材试样组织和力学性能的影响。结果表明:α相的尺寸和含量会随着退火温度的升高发生变化,导致试样的显微硬度也会发生变化。试样经过不同温度退火后抗拉强度整体呈下降趋势,而塑性得到提升。另外电弧增材制造TC4钛合金的力学性能存在各向异性。