关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡   数值模拟   温度场  

摘要： 利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^(-1))对温度场的影响。结果表明:模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。

关键词： 电弧增材制造   纯钛   高氧含量   显微组织   力学性能  

摘要： 通过电弧增材制造原位制备高氧钛,并对高氧钛的成分偏析、显微组织和力学性能进行研究。结果表明,高氧钛试样的显微组织主要呈现为针状α相集束。随着氧含量的增加,试样针状α相逐渐变宽,集束尺寸变大。受氧的强化作用以及晶粒尺寸效应共同影响,试样的强度先提高后下降,伸长率显著下降,断裂形式由塑性断裂向解理断裂过渡。当氧含量达到0.37%(质量分数)时,伸长率约为7%,试样抗拉强度超过730 MPa,约为商业纯钛的2倍。

关键词： 增材制造   残余应力   应力调控   激光选区熔化   电弧增材制造  

摘要： 增材制造技术近年来取得了重大进展,金属增材制造可以三维成型精度高的复杂形状零件,在各行业的应用中具有独特优势。然而,增材制造金属零件成形时由于高温度梯度会引起复杂残余应力。简要分析了增材制造技术的特点,重点总结了激光选区熔化和电弧增材制造的工艺原理。在此基础上,详细综述了增材制造过程中残余应力的产生机制及测量方法,其中,温度梯度机制是解释残余应力产生机制最常用的方法。针对残余应力的测量,分别从无损检测和破坏性检测两方面进行归纳,最常用的破坏性检测残余应力的方法是轮廓法和钻孔法,而无损检测的方法是X射线衍射法。并且总结了残余应力的调控方法,包括工艺参数调控、预热缓冷及重熔调控、结构设计调控、辅助外场调控、后处理调控。最后简要总结增材制造金属结构件残余应力研究中亟待解决的问题,并展望了金属增材制造的发展方向。

关键词： 电弧增材   铝合金   组织结构   拉伸性能  

摘要： 电弧增材制造(WAAM)技术具有沉积效率高、热输入低、成形工艺稳定、力学性能优异等优点,在大尺寸金属构件直接成形领域具有广阔的应用前景。采用基于冷金属过渡(CMT)的WAAM技术成形5087铝合金,研究了单道多层成形工艺及尺寸控制,分析了微观组织结构及拉伸性能。结果显示:单层高度和宽度的成形尺寸精度≤0.5mm。通过观察样品金相组织发现,晶粒形态呈现明显的柱状晶特征,在试样水平截面,晶粒尺寸分布在10~50μm之间;在垂直截面,晶粒尺寸分布在50~80μm之间。在晶粒内部,枝晶表现为树枝状和胞状共存状态。拉伸测试结果显示:试样最大抗拉强度分布在200~230MPa之间,最大屈服强度分布在100~120MPa之间,伸长率分布在6%~12%之间,电弧增材铝合金内部气孔对试样拉伸性能造成了不利影响。

关键词： 电弧增材制造   TIG   感应预热   微观组织   气孔  

摘要： 铝合金电弧增材制造过程稳定性不足,精度较低,容易产生各种缺陷。为优化铝合金增材制造工艺,研究了丝材感应预热工艺对铝合金电弧增材制造的优化作用与效果,以TIG电焊机为热源,采用ER4043焊丝在纯铝基板上增材制造薄壁构件,探索感应预热焊丝工艺参数对成形件微观组织与硬度的影响。经过单道试验和增材制造薄壁试样,得出热丝工艺的堆积效率相较于冷丝工艺增加了11.1%,成形形貌更加均匀,气孔数量大幅减小,硬度增加了25%~35%。感应预热焊丝工艺对铝合金增材制造技术的优化效果显著。

关键词： 6061铝合金   TiC增强的6061铝合金   BP神经网络   粒子群算法   遗传算法   力学性能  

摘要： 目的预测不同工艺参数下电弧增材制造铝合金的力学性能。方法通过实验建立了电弧增材制造6061铝合金及TiC增强6061铝合金力学性能的数据集,并建立了一种以焊接电流、焊接速度、脉冲频率、TiC颗粒含量为输入,以屈服强度和抗拉强度为输出的神经网预测模型,对比了反向传播神经网络(BP)、粒子群算法优化BP神经网络(PSO-BP)、遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)3种预测模型的精度。结果与BP模型和PSO-BP模型相比,GA-BP预测模型具有更好的预测精度。其中,GA-BP模型预测6061铝合金屈服强度最佳结果的相关系数(R)为0.965,决定系数(R2)为0.93,平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)为2.35,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)为2.67;预测TiC增强的6061铝合金抗拉强度最佳结果的R=1,R2高达0.99,MAE为0.46,RMSE为0.49,GA-BP具有良好的预测精度。结论BP、PSO-BP、GA-BP3种神经网络模型可以用来预测电弧增材制造铝合金的力学性能,GA-BP模型比其他2种模型的预测精度更优。与传统的实验方法相比,用神经网络模型预测电弧增材制造铝合金力学性能的速度更快,成本更低。

关键词： 电弧增材制造   立上位置   响应面法   成形质量   平整度  

摘要： 目的针对悬臂结构立焊位置成形质量差的问题,本研究旨在探究电弧增材制造工艺参数对悬臂结构多道搭接质量及组织的影响规律,以实现悬臂结构工艺参数的预测与优化,从而提高多道搭接焊道表面质量与内部组织性能。方法采用响应面Box-Behnken方法,分析焊接电流、焊接电压和偏移量对焊接接头成形与性能的影响规律,建立了工艺参数与焊接接头响应指标的数学模型。结果试验结果表明,表面平整度与焊接电压成正比,与搭接率成反比;偏移量的增加先使总高减小,然后有所增加,而焊接电流与总高成正比;偏心率与焊接电流成正比,与搭接率成反比。以平整度大、总高大、偏心率接近于1为优化目标,最佳工艺参数为电流85.4A,电压22V,偏移量为3mm。与预测值相比较,实际值的平整度、总高和偏心率的误差率分别为0.48%、4.40%和1.89%。研究还探究了单道多层焊接接头组织性能与工艺参数的关系,发现了焊接热影响重合区组织细化的现象。结论研究结果验证了所构建数学模型的可靠性,对改善高难度悬臂结构制造的形貌以及提高成形质量具有重要的指导意义。

关键词： 电弧增材制造   Mg-Zn-Y合金   显微组织   热循环   力学性能  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)与其他金属增材制造技术相比具有沉积效率高、材料利用率高、设备成本低等多种优势,其与“21世纪绿色工程材料”一镁合金的结合已成为本领域的研究热点,但是仍存在诸多“卡脖子”问题限制了WAAM镁合金的应用。本文采用自制的Φ1.6mm的ZW61(Mg-6Zn-1Y-0.5Ce-0.5Zr,wt.%)镁合金丝材作为原材料,通过WAAM工艺制备单道壁,对垂直方向上组织和性能的不均匀性进行了表征,并探讨其演化机理。研究了WAAM不同热循环对同层材料的影响规律,结合不同热处理工艺对力学性能的各向异性进行了优化处理。主要结论如下: (1)较高的冷却速率和Zr元素的细化作用使得WAAM-ZW61镁合金具有细小的等轴晶组织,平均晶粒尺寸12.4μm,组织由α-Mg、Mg7Zn3相和纳米尺度的I-Mg3Zn6Y相组成。I相的尺寸较小,是沉积过程中较高的冷却速率以及Mg7Zn3相与其竞争生长所导致的。单道壁垂直高度上的散热条件不同,造成了 WAAM-ZW61镁合金组织不均匀,晶粒尺寸和第二相含量随单道壁垂直高度的升高而增大、增多。另外,由于激冷作用,在小范围内,同一熔池上下两部分的晶粒存在明显差异,表现为上部的晶粒比下部更粗大,层状结构更明显。 (2)在同一高度上孔隙缺陷呈随机分布,但由于沉积时底部区域更靠近基板,冷却速度更快,对熔池中气体的逸出以及剩余液体补缩造成了阻碍,因此底部的孔隙缺陷比顶部更多,尺寸更大。 (3)固溶强化和细晶强化是导致WAAM-ZW61镁合金的强度在垂直方向出现差异的主要原因,在拉伸过程中WAAM-ZW61镁合金表现出较高的伸长率,说明材料有一定的延展性,这归因于稀土元素的添加使材料的非基面滑移可以开动。另外,断口分析表明,晶界处的Mg7Zn3相是导致试样在室温拉伸时过早失效的主要原因。 (4)在后续沉积热循环的影响下,4th中出现明显的热积累,导致了4th中的原生细小晶粒逐渐被周围大晶粒吞并,平均晶粒尺寸不断增大,从10.7μm(未受热循环)增大到20.4μm(3次热循环)。同时,沿晶界分布的Mg7Zn3相形成更规则的网状结构,团絮状的Mg7Zn3相逐渐分散直至消失,I相长大并形成其典型的层状结构特征,生成了新相MgZn。I相长大和MgZn相的生成可能与热积累导致Mg7Zn3相在330℃左右发生转变(Mg7Zn3(?)α-Mg+MgZn+I)有关。 (5)4th的显微硬度和强度在热循环的影响下均有一定程度的提高,但伸长率降低。固溶强化是导致WAAM-ZW61镁合金强度提高的原因,而伸长率的降低主要是由于I相长大团聚造成的。 (6)对WAAM-ZW61镁合金进行了固溶、时效和固溶+时效三种热处理,结果表明,热处理后材料力学性能各向异性得到明显削弱,证明热处理是降低WAAM-ZW61镁合金各向异性的有效手段。其中对各向异性优化效果最佳的固溶热处理工艺是460℃×4h,其缺点在于牺牲了材料的强度,200℃×72h(时效)的优化效果略低于前者,但同时能够提高强度,460℃×4h+200℃×72h(固溶+时效)的优化效果最差,未达到在单独固溶/时效基础上进一步削弱各向异性的效果。