关键词： 电弧增材制造   Ti-6Al-4V钛合金   活性剂   微观组织   力学性能   耐腐蚀性能  

摘要： 电弧增材制造（WAAM）成形Ti-6Al-4V钛合金存在粗大柱状晶、粗大晶内组织、连续晶界等微观组织缺陷,没有充分发挥钛合金力学性能和耐腐蚀性能的优势,限制了其在船舶及海洋工程领域的应用和发展。本文针对以上科学问题围绕Ca F2和Na F两种活性剂进行研究,通过设计不同比例活性剂的WAAM实验,探讨不同比例活性剂协同作用对WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金的成形质量、微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响规律。旨在通过活性剂完善WAAM工艺,减少Ti-6Al-4V钛合金组织缺陷,获得适用于船舶及海洋工程领域的高性能钛合金。 研究了不同比例活性剂条件下WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金的成形质量,包括表面成形质量、气孔、残余应力。采用表面波纹度和沉积效率模型量化表面成形质量,发现活性剂混合比例相差较大的实验组倾向于获得更好的表面成形质量;对于单一活性剂而言,Na F可获得更好的表面成形质量。采用图像处理技术提取材料内部气孔,研究不同比例活性剂对WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金内部气孔的影响规律。此外,本文还利用有限元方法计算WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金的残余应力,不同比例活性剂对构件残余应力基本不产生影响。 探讨了不同比例活性剂对WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金组织演变规律的影响。采用光学显微镜对钛合金粗大柱状晶进行观察,不同比例活性剂细化了柱状晶。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱仪（EDS）表征材料的微观组织以及主要元素分布和含量。结果表明,通过添加活性剂,宽大连续的晶界转变为了细小不连续晶界;晶内网篮组织和集束组织得到细化;Ti、Al、V等主要化学元素分布均匀。采用X射线衍射仪（XRD）表征WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金的相比例,活性剂提高了Ti-6Al-4V钛合金β相含量。 分析不同比例活性剂引起WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金力学性能和耐腐蚀性能的变化,结合微观结构特征,揭示活性剂激活的强化机制。通过测定工程应力-应变曲线和极化曲线表征力学性能和耐腐蚀性能,活性剂提高了Ti-6Al-4V钛合金力学性能和耐腐蚀性能。细化的柱状晶以及晶内组织、不连续晶界充分激活了WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金细晶强化、晶界强化、组织细化引起的强化等一系列强化机制。 本文揭示了不同比例活性剂协同作用对WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金成形质量、微观组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响规律,建立了活性剂WAAM工艺-组织-性能之间的联系。本研究工作提出的工艺方法具有生产效率高、不受成形件几何形状的限制等优势,为实现钛合金力学性能及耐腐蚀性能的强化提供了理论支撑及技术指导,促进了WAAM成形Ti-6Al-4V钛合金在船舶以及海洋工程领域的应用。

关键词： 电弧增材制造   传热传质   数值模拟   熔池行为  

摘要： 电弧增材制造过程涉及丝材的送入和熔化，熔融金属向熔池的过渡，熔池中液态金属的对流、凝固和成形。缺陷的形成与电弧增材制造过程中发生的复杂多物理场现象密切相关。因此，需要借助高保真数值模拟技术来深入理解这些物理现象，并将其作为优化工艺条件、制造高质量产品的理论依据。本文综述了电弧增材制造传热传质数值模拟涉及的关键技术，并对未来研究方向进行了展望：首先，介绍了几种典型的热源模型，鉴于电弧增材制造过程中熔池的形成与演变是多种驱动力共同作用的结果，分析了浮力、电磁力、表面张力、电弧压力、电弧剪应力模型对流体流动和熔池表面变形的影响；然后，总结了三种金属过渡模型，包括速度入口填充液态金属、指定位置添加球状质量源项以及直接建立固态金属焊丝；最后，介绍了常用的气液界面跟踪方法。

关键词： 电弧熔丝   增材制造   异质结构   多材料   钛合金   NiTi合金  

摘要： Ti6Al4V（TC4）是最常用的钛合金,其优异的机械性能、极高的比强度、良好的生物相容性和防腐特性,在航空航天、生物医学、军工和核电等领域被广泛应用。NiTi合金凭借独特的形状记忆效应与超弹性、良好的抗疲劳性和耐腐蚀特性等,使其在生物工程、医药、能源和微机电系统等许多重要行业中发挥了关键应用。TC4和NiTi的双金属耦合设计与一体化制造,能够充分发挥两种材料各自的优势,极大促进应用产品的多功能性。 然而,由于不同材料之间的物理性能、线胀系数和导热系数存在较大差异,一体化成形过程中温度场不对称,极易形成较大应力失配。此外,高温扩散、局部化学成分的变化和脆性金属间化合物的形成也会促使NiTi与TC4合金二者交互界面形成弱化区域,导致双金属结构过早失效。目前,通过传统手段制备的钢/镍、钢/铜和镍/铜等异质构件已呈现明显提升的多材料耦合特性,但对于TC4/NiTi的双金属局部模块化成形制造仍存在结构简单、功能受限和性能不足等瓶颈问题。相比,自然中生物的异质结构与生俱有低应力匹配、完美力学组合和优异的多功能特性,可为异质金属结构的局部与全局优化设计提供天然蓝本,特别是增材制造技术的快速发展,使复杂异质仿生结构的一体化制造成为可能。 针对上述问题,本论文以螳螂虾、蜗牛等天然生物多相多元结构为仿生模本,以多层交替、强韧结合和梯度渐变的实体异质结构为仿生设计的基本框架,以TC4、NiTi和Nb焊丝为主要构成材料,采用多丝电弧熔丝增材制造（Multi-wire arc additive manufacturing,MWAAM）技术,开发出多种异质材料界面低应力连接的制造工艺,制备获得了多个具有仿生功能结构的异质金属构件,并逐步实现了TC4/NiTi异质构件功能分级设计与一体化增材制造。在此基础上,深入研究了异质界面间普适性的元素扩散、微观组织演变和界面金属间化合物的形成与控制规律,揭示了多材料体系中晶体学特征以及异质构件的功能机制。主要研究内容与结论如下: （1）设计并制备出成分由TC4钛合金梯度转变到NiTi合金的低应力过渡层,实现了TC4/NiTi仿生梯度异质构件一体化增材制造。研究发现,梯度沉积层之间能够形成良好的冶金结合,未产生宏观和微观裂纹。梯度层中存在NiTi2金属间化合物,最高显微硬度为669.6±12 HV。TC4/NiTi梯度异质构件的最大抗弯强度为257.01±26 MPa,最大抗压强度为1533.33±26 MPa;在第10次压缩循环后构件回复率为54.18%,呈现一定超弹性。由于NiTi2金属间化合物的大量存在,导致上述双金属异质构件难以获得优异的拉伸强度。 （2）为提升TC4/NiTi异质构件界面力学性能,采用纯Nb过渡方式降低了TC4与NiTi合金之间的元素扩散,减少了NiTi2金属间化合物的形成。利用MWAAM技术优化了TC4与Nb的界面结合方式,揭示了TC4/Nb梯度异质界面力学性能影响规律。研究发现,TC4/Nb梯度异质构件的最大抗压强度为2162.64±26 MPa,在垂直于界面方向可获得极限抗拉强度514.21 MPa。在TC4/Nb异质构件上,依次沉积纯Nb和NiTi合金成功制备了TC4/Nb/NiTi仿生层状异质构件。结果发现,纯Nb过渡层对TC4和NiTi之间的元素双向扩散起到了很好的阻隔作用,界面区的NiTi2相比例大幅度减小。TC4/Nb/NiTi仿生层状异质构件最大抗压强度为1419.87 MPa,10次循环压缩后构件的回复率约为31%,相比TC4/NiTi仿生梯度异质构件超弹性略有降低。仿生层状异质构件在垂直于界面处获得了极限抗拉强度378.8 MPa。 （3）以NiTi和Nb为基材,采用复合电弧熔丝增材制造（Wire arc additive manufacturing,WAAM）技术设计并成功制备了不同层间距的NiTi/Nb仿生层状异质构件,以提升NiTi与Nb界面的结合强度。本文深入研究了不同层间距NiTi和Nb界面之间元素的互扩散作用,明晰了Nb对NiTi/Nb层状异质构件的微观组织、相演变以及界面结合强度的影响。研究发现,通过复合WAAM技术调控界面之间的元素互扩散行为,可实现对纯Nb层以及NiTi-Nb界面强度的提升。在垂直于NiTi/Nb界面处获得的最高抗拉强度为664.3±16 MPa,最大抗压强度为2400.6±32 MPa,在经过10次10%的应变循环压缩后回复率约为40%。利用（Cold Metal Transfer,CMT）技术制备Nb沉积层,成功将NiTi合金中部分元素合金化到Nb沉积层中,实现了对纯Nb沉积层性能的提升。 （4）为突破纯金属过渡层异质构件强度受其本身性能限制的瓶颈难题,利用复合WAAM技术设计并制备了NiTi/Nb/TC4仿生层状异质构件。通过CM

关键词： 镁合金   增材制造   锤锻   微观组织   机械性能  

摘要： 镁合金是目前最轻的金属结构材料,广泛应用于交通运输、航空航天等领域。传统镁合金构件的制造方法存在生产周期长、难加工复杂零件等局限,而新兴的电弧增材制造技术具有极高的材料利用率、可设计能力强等优点,因此更适合镁合金构件的制造。然而电弧较大的热输入,会导致构件晶粒粗大、机械性能较低等问题,严重制约了其进一步的发展。因此,本文提出了一种锤锻辅助的电弧增材制造技术,以AZ91镁合金为对象,研究了层间冷锤及同步热锤等不同锤锻工艺对试样宏观形貌、微观组织及机械性能的影响。验证了锤锻辅助工艺应用到AZ91构件的可行性,明确了锤锻工艺的作用机制,并对其进行热处理,明确热处理的作用机制。主要研究内容及结论如下。 （1）探索了锤锻辅助电弧增材制造的工艺参数。在成形电流130 A、扫描速度4mm/s、锤锻力80 N的条件下,成功沉积出不锤锻、层间冷锤、300℃介入温度同步热锤、400℃介入温度同步热锤试样,锤锻塑性变形量依次为8.9%、10.8%、11.7%。成形试样形貌良好、无失稳现象,验证了锤锻辅助工艺的可行性。 （2）对比研究了不同锤锻工艺对试样组织性能的影响。锤锻与为锤锻试样相组成均为α-Mg相与β-Mg17Al12相,但锤锻试样存在塑性变形,会发生晶格畸变导致主峰整体偏移,同时β相形态也发生改变且分布更均匀。锤锻会使材料发生晶粒破碎,平均晶粒尺寸由27.7μm降到13.5μm,下降幅度高达51.2%。锤锻试样的织构强度显著降低,平均显微硬度提高,最高提升12.8%。不同的锤锻工艺均能显著提高试样水平与竖直方向的极限抗拉强度（UTS）,其中400℃同步热锤试样水平与竖直方向UTS分别为301.78MPa、298.61 MPa,分别提升10.9%与8.8%。性能提升主要归功于晶粒的细化与位错密度的提升。 （3）对比研究了热处理对不同锤锻工艺试样组织性能的影响。因为热处理彻底的回复再结晶作用,锤锻引起的晶格畸变与主峰偏移现象消除,β相含量显著增加,且分布更加均匀,但晶粒尺寸明显增大,且晶粒尺寸均匀性变差。热处理后的第二相强化能显著提高试样显微硬度,最高提升16.5%,试样水平方向的UTS也得到显著提高,其中300℃同步热锤试样由287 MPa提升至317 MPa,提升幅度达10.5%,同时,对YS的提升幅度也在10%以上。热处理能缓解锤锻导致延伸率降低的问题,以400℃同步热锤试样竖直方向提升最为显著,由7.8%提升到12.6%。

关键词： 船载电弧增材制造   磁场控制   成形质量   电弧   熔滴过渡  

摘要： 电弧增材制造技术（Wire-Arc Additive Manufacturing,简称WAAM）是近年来的研究热点,具有沉积效率高、成形尺寸大、制造成本低等优势,特别适用于远洋船舶和军舰等远离供应链的场合,能降低时间成本和库存需求,提升经济效益和实战效能。然而,船载环境下的振动和摇晃会影响WAAM设备的稳定性,导致成形过程失控。为解决此问题,本文引入磁控焊接技术,通过模拟船载环境,研究不同外部磁场对电弧增材制造的电弧和熔滴过渡的影响,旨在提高样件成形质量、组织和力学性能。主要研究结论如下: 1.通过研究振动环境下的WAAM成形过程,发现其电弧弧长忽长忽短,并出现了弧偏吹现象,而熔滴过渡也多表现为大滴过渡,并伴随着较多短路爆炸,导致样件整体形貌较为粗糙。故通过施加外加纵向和尖角磁场来辅助WAAM成形,研究其电弧和熔滴过渡,发现在低振动下励磁电流为0.95A时的纵向磁场和0.4A的尖角磁场,其平均弧锥角和弧偏转角分别从无磁场时的87.3°和9.2°降低到了纵向磁场的76.4°和7.7°以及尖角磁场的63.4°和5.7°,并且射滴过渡的占比从约63%增加到了约74%。但当励磁电流过大时反而会使成形质量进一步恶化,而励磁电流过小则会使效果不明显。 2.通过研究摇荡环境下的WAAM成形过程,发现电弧和熔滴过渡的不稳定性同样显著增加,表现为电弧出现偏吹,大滴过渡频繁,熔滴偏离轨迹等现象,导致样件侧面沉积层纹路扭曲,甚至出现咬边现象。故通过施加直流和交变的纵向磁场和尖角磁场来辅助WAAM成形,研究其电弧和熔滴过渡,发现在合适的励磁电流下各个磁场均能约束电弧,增强电弧与熔滴过渡的稳定性从而对改善样件成形质量,并且对减少飞溅和流淌也有重要作用,其中,交变尖角磁场对平整度的改善效果最佳,从0.99下降到了0.71,直流尖角磁场抑制飞溅最优,从11576mm2减少到了1637mm2。并且交变尖角磁场在稳定弧锥角和减小弧偏转角方面表现也较为出色,从无磁场时的67.3%,6.4%减小到了交变尖角磁场的45%,3.5%。 3.通过前面的实验表明,现有磁场对舰载环境下的WAAM成形稳定性有明显改善,但均未达到理想的效果,为此,本文设计了一种新型的旋转磁场来辅助WAAM成形,通过优化磁场参数后,发现其能够很好地约束电弧和熔滴,得到更好的成形质量,使样件的平整度从1.3降至0.72,并且提高了熔滴过渡频率,射滴过渡的比例也从无磁场时的41.9%增加到了76.7%,得到了极大地优化,各项数据已经接近稳态环境下的WAAM成形。