关键词： 高强铝合金   CMT+P电弧增材制造   工艺优化   微观组织   耐腐蚀性能  

摘要： 高强铝合金因其具有质量轻、比强度高、耐腐蚀、热加工性能好等优点,被广泛用于制造飞机蒙皮和主体结构等承载部件。但是,高强铝合金飞机结构件的传统制造技术无法满足目前对于高性能、低成本和绿色制造的追求。冷金属过渡与脉冲复合（Cold metal transfer and pulse,CMT+P）电弧增材制造（Wire arc additive manufacturing,WAAM）技术因其高效、低成本以及开放的成形环境等独特优势,非常适宜于大型化、整体化和轻量化的高强铝合金飞机结构件一体化制造。然而,高强铝合金CMT+P WAAM一体化成形仍然存在一些关键问题:（1）成形精度较低且沉积层中气孔缺陷较多;（2）复杂多变的晶粒结构和二次相分布;（3）宏观缺陷、微观组织和服役性能的关联关系尚不明确。因此,针对上述关键问题,本文以2024高强铝合金为研究对象,采用CMT+P WAAM技术制备了高强铝合金薄壁结构件,通过响应曲面实验设计、多目标遗传算法优化、微观组织表征和电化学腐蚀测试优化了工艺参数,改善了成形质量,揭示了微观组织演变规律,阐明了耐局部腐蚀机理。本文的主要研究内容和结果如下: （1）以表面粗糙度和孔隙率为优化目标,获得了最优的工艺参数范围:送丝速度为3.5～3.9 m/min,电弧移动速度为7.20～8.79 mm/s,CMT/P比值系数为2,即CMT/P比值为1:4。 （2）基于成形质量优化,通过EBSD、SEM和TEM等表征技术发现随着电弧移动速度从7.2增加到8.6 mm/s,熔池形貌越扁平,等轴晶分数增加,平均晶粒直径减小;送丝速度为3.4 m/min,电弧移动速度为8.6 mm/s,CMT/P比值为1:4时,晶粒形貌为全等轴晶。主要的析出相有α-Al基体相、θ（Al2Cu）和S（Al2Cu Mg）二次相;析出相在晶粒边界形成连续分布的层状多相共晶组织;且微观组织的演变规律表现出微区性。 （3）基于成形质量优化和微观组织调控,通过开路电位、电化学阻抗谱和动电位极化测试发现随着电弧移动速度从7.2增加到8.6 mm/s,开路电位增加,腐蚀电位增加,电荷转移电阻增加,耐腐蚀性能更好;且熔池过渡区最易被腐蚀,以点蚀和晶界二次相腐蚀溶解为主。

关键词： 低活化铁素体/马氏体钢   氧化物弥散强化   电弧熔丝增材制造   微观组织   力学性能   辐照性能  

摘要： 氧化物弥散强化低活化铁素体/马氏体（Oxide dispersion strengthened reduced activation ferrite martensite steel,ODS RAFM）钢具有优异的高温力学性能和抗辐照性能,是核聚变反应堆中优选的低活化结构材料。针对ODS钢传统的粉末冶金制备工艺尚存在制备周期长、重复稳定性差以及难以制备大型复杂结构零部件的不足,本文为推进聚变堆用低活化结构材料的快速制备及应用,提出了电弧熔丝增材制造（Wire and arc additive manufacture,WAAM）ODS钢的新思路,并着重研究了ODS钢的WAAM成形工艺、组织结构、力学性能和离子辐照性能。主要研究内容及结果如下: （1）根据9Cr-RAFM钢的化学成分,设计并制备了HUST1#药芯丝材,并以此丝材在WAAM平台上研究了送丝速度、沉积速度等工艺参数对单道单层打印试样熔宽、熔高及成型质量的影响规律。结果表明,在送丝速度为7.5 m/min、沉积速度为6 mm/s的工艺条件下,材料成形效率达到450 cm3/h、变形量仅为1.8 mm/1000mm,且制备的材料致密性达到99.7%。 （2）在HUST1#丝材的基础上,加入Fe-Ti粉末作为[Ti]源,开发了HUST2#药芯丝材,并采用WAAM技术分别制备了RAFM钢和Ti O2弥散强化RAFM（ODS RAFM-A）钢。研究表明,在电弧热的作用下,熔池中原位形成的Ti O2粒子可作为异质晶核而细化晶粒,打印态的ODS RAFM-A钢组织为铁素体+回火马氏体双相组织,晶粒平均尺寸约为1.5μm;淬火处理后,ODS RAFM-A钢的晶粒尺寸增大到1.75μm,基体中析出较高数密度(9.3×1020 m-3)、较细（8.2 nm）的Ti O2粒子;与RAFM钢相比,ODS RAFM-A钢的室温抗拉强度由717 MPa提高到1088 MPa,延伸率由12%提高到13%,650°C抗拉强度由120 MPa提高到283 MPa,延伸率由34.6下降到34.2%。 （3）为进一步提高ODS钢的高温性能,以纳米Y2O3和Fe-Ti粉末为[Y]、[Ti]和[O]源,开发了HUST3#药芯丝材,并采用WAAM技术制备了纳米Y2Ti2O7弥散强化RAFM（ODS RAFM-B）钢。研究表明:丝材中的Y2O3在电弧区可分解为[Y]和[O]并与熔池中[Ti]反应形成初生的纳米Y2Ti O5粒子,凝固过程中作为异质晶核而细化晶粒;在WAAM小熔池快速凝固过程中来不及反应的[Y]、[O]和[Ti]原子固溶在成形的基体中,形成过饱和固溶体;热处理后,在RAFM钢中析出具有更高稳定性的高数密度(2.0×1022 m-3)、纳米（12.8 nm）Y2Ti2O7粒子,从而使制备的ODS RAFM-B钢在650℃的抗拉强度和延伸率分别达到344 MPa和30%。 （4）为进一步提高纳米氧化物粒子的数密度,以真空雾化的Fe-Y合金粉和Ti O2粉为[Y]、[Ti]和[O]源,开发了HUST4#药芯丝材,并采用WAAM技术制备了更高数密度、纳米Y2Ti2O7弥散强化RAFM（ODS RAFM-C）钢。研究表明:Fe-Y合金和纳米Ti O2在电弧作用下分解,同时提供[Y]、[Ti]和[O]源,并充分利用WAAM小熔池快速凝固的特性,可形成Fe（Y,Ti,O）过饱和固溶体;热处理后,在基体中析出高数密度(4.7×1023 m-3)和纳米尺寸（2.8 nm）的Y2Ti2O7纳米粒子,从而使制备的ODS RAFM-C钢在650℃、700℃的抗拉强度和延伸率分别达到403 MPa和19.6%、281 MPa和25.2%。 （5）研究了WAAM技术制备的ODS RAFM钢的离子辐照性能。研究表明,在450°C、2.5 Me V Fe2+离子、200 dpa损伤剂量下,具有高数密度Y2Ti2O7弥散分布的ODS RAFM-C钢辐照后沿辐照深度观察到大量的纳米粒子,其数密度超过1024 m-3;基体内未观察到明显的空洞或缺陷,辐照肿胀率低于0.005%,辐照硬化值仅为0.70GPa,具有优异的抗辐照性能。

关键词： 脉冲交流CMT   电弧增材制造   成形精度   组织性能   复杂结构  

摘要： 电弧增材制造以其成本低、效率高、可生产大尺寸零件的优点在工业领域得到了较为广泛的应用,但同时也存在成形精度低、过程稳定性差等缺点,限制了该技术在制造领域内的发展。本文以提高电弧增材制造工艺稳定性和成形精度为最终目的,采用脉冲交流冷金属过渡(Cold Metal Transfer Pulse Advanced,CMT-PADV)进行4043铝合金电弧增材制造,优化工艺参数,并制造结构相对复杂的零件,研究成形工艺对熔滴过渡和熔池状态的影响,为电弧增材制造技术在工业中的应用和发展提供理论支撑。 搭建了CMT-PADV电弧增材制造系统、高速摄像和电信号采集系统,通过电弧/熔滴过渡图像与电信号波形的同步采集,分析送丝速度、行走速度、交流频率和正反极性比例对熔敷过程稳定性及单层单道熔敷成形的影响。结果表明:在送丝速度为5.0-7.0 m/min、行走速度为10-14 mm/s、交流频率高于16:16、正反极性比例大于4:16时熔敷过程稳定、成形良好。 进行了CMT-PADV电弧增材制造过程中熔滴和熔池的受热受力分析。结果表明:正极性(EP-Pulse)阶段熔滴所受电磁收缩力和熔池所受电弧压力大于反极性(EN-CMT)阶段,EP-Pulse阶段射滴过渡的模式使熔池受到熔滴的冲击力,从而影响熔池的稳定性。由于阴极产热远高于阳极产热,在EP-Pulse阶段熔池润湿角较EN-CMT阶段更小,流动性更优;EN-CMT阶段电弧“上爬”对焊丝集中加热,致使熔滴尺寸大于EPPulse阶段。 分析了不同工艺参数和变极性参数对增材制造成形精度及有效宽度百分比的影响,并在相同热输入下探究了不同脉冲占比对试样组织性能的影响。结果表明:试样的平均高度和平均宽度与送丝速度呈正相关,与行走速度呈负相关。交流频率和正反极性比例的适当调整可有效改善试样的成形质量,在交流频率为7:7和正反极性比例为13:7时有效宽度百分比达82.3%和86.6%。相同热输入下,脉冲占比的增加可实现较好的晶粒细化效果,并增加大角度晶界的占比。随着脉冲占比的增加,横向抗拉强度和纵向抗拉强度均有所提升,在正反极性比例为13:7时,抗拉强度最高,横向抗拉强度约为184.49 MPa,纵向抗拉强度约为181.14 MPa。 通过离线编程技术对复杂结构件的增材轨迹进行了规划,根据不同的增材阶段和机器人位姿分段调整了工艺参数,进行了增材轨迹与工艺参数的联合规划,最终实现90°至-90°的拱形结构增材制造,并打印出了环形曲面体和螺旋桨复杂结构件。

关键词： 电弧增材制造   相场法   快速凝固   枝晶生长   溶质偏析  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术因其沉积速率高、成本低、产品性能稳定、材料利用率高等优点而受到广泛的关注。由于打印态零件其组织结构对加工参数极为敏感。因此有必要对电弧增材制造过程中的凝固组织演变进行深入研究。然而,电弧增材制造加工过程中的高冷却速度、显著的温度梯度和复杂的热循环等因素限制了对其快速凝固下凝固组织的研究。并且由于电弧增材制造过程中存在众多会对凝固组织存在显著影响的工艺参数,因此单纯依靠试错法来探究不同工艺参数下的凝固组织演变将会产生大量的时间及资源耗费。本文基于有限元(Finite Element,FE)模拟和相场(Phase-Field,PF)法对电弧增材制造过程中不同工艺参数下的枝晶生长及溶质偏析行为进行了研究。主要研究内容如下: (1)根据实验结果,建立了三维有限元模型,模拟了电弧增材制造过程中不同扫描速度和电流下的温度分布情况。研究发现,随着扫描速度的减小和电流的增大,WAAM过程中的熔池范围逐渐增大。同时,其凝固过程中的温度梯度逐渐升高。 (2)对比了平衡凝固相场模型和非平衡凝固相场模型在相同工艺参数下模拟结果之间的差别。研究发现,平衡凝固相场模型由于无法正确反映快速凝固过程中的溶质扩散行为,导致枝晶生长过程中产生了大量的二次枝晶,这与实验结果不符。而非平衡凝固相场模型修正了快速凝固下相场模型中人为引入的化学势跃迁,相场模拟结果符合快速凝固实际。通过将模拟结果与实验结果进行对比,验证了非平衡凝固相场模型的准确性。 (3)基于非平衡凝固相场模型对WAAM过程中不同扫描速度下的枝晶生长和溶质偏析行为进行了模拟。研究发现,由于凝固过程中的热输入逐渐减少,因此随着扫描速度的增加,枝晶生长的驱动力减弱,导致枝晶生长速度下降,溶质偏析行为减轻。同时,一次枝晶臂间距增大,糊状区产生的可能性减少,并且热裂纹敏感性下降。 (4)基于非平衡凝固相场模型对WAAM过程中不同电流下的枝晶生长和溶质偏析性为进行了研究。研究发现随着电流的增大,枝晶生长的驱动力增加,凝固过程中固液界面会更早的发生扰动,进而转变为柱状枝晶生长。同时,电流的增大会导致一次枝晶臂间距的减小,枝晶间的溶质偏析更加严重,使得糊状区出现的可能性增加,并且热裂纹敏感性上升。 (5)采用与相场模拟相同的工艺参数进行了电弧增材制造实验。通过对实验样品的表征发现,相场模拟的枝晶形貌和溶质偏析现象与实验结果吻合较好。说明相场模拟能够准确预测电弧增材制造过程中不同工艺参数下的凝固组织演变。

关键词： 电弧熔丝增材制造   Al-Mg-Si合金   热裂纹   力学性能  

摘要： Al-Mg-Si合金由于其高比强度,良好的机械加工性能以及耐腐蚀性能,在轨道交通、汽车以及航空航天等领域得到了广泛应用。电弧熔丝增材制造技术因其短的生产周期、高自由度、高沉积效率以及高材料利用率等优势,成为中、大型铝合金零件增材制造的重要发展方向。然而Al-Mg-Si合金存在较大的凝固区间,具有较大的凝固热裂纹敏感性,在增材制造过程中极易产生热裂纹缺陷。本论文分别采用层状复合及添加晶粒细化剂的方式,改善Al-Mg-Si合金在增材制造过程中的热裂纹缺陷,得出了以下主要结论: （1）电弧熔丝增材制造Al-Mg-Si合金存在着大量的宏观裂纹和微观裂纹缺陷,裂纹沿柱状晶晶界扩展。合金的晶粒结构以粗大的柱状晶为主,平均晶粒尺寸为92.2μm;合金沿0°方向的抗拉强度为90 MPa,延伸率仅为0.5%,沿90°方向的抗拉强度为134 MPa,延伸率为3.4%。 （2）采用Al-Mg-Si和Al-Mg-Sc两种合金焊丝交替打印的方式,制备了Al-Mg-Si/Al-Mg-Sc层状合金材料,层状合金形成了“等轴晶-细小等轴晶-柱状晶”的异质结构;Mg含量的变化和在晶界处连续分布的Mg2Si相抑制了层状合金Al-Mg-Si层热裂纹的形成。打印态层状合金的抗拉强度沿0°方向和沿90°方向分别达到了233 MPa和230 MPa,延伸率分别为16.3%和19.7%,层状合金分别在250℃,275℃和300℃下进行直接时效热处理,得出300℃下时效1.5h时性能最佳。热处理后,层状合金的抗拉强度和屈服强度分别提高了20%和50%;与增材制造商用Al-Mg-Si合金（6061）相比,层状合金的耐腐蚀性能更好,且经过热处理后,耐腐蚀性能也有所提升。 （3）采用Al-3Ti-B晶粒细化剂对Al-Mg-Si合金进行改性,制备了含0.8wt%Ti的Al-Mg-Si合金焊丝,并进行电弧熔丝增材制造。经晶粒细化后的Al-Mg-Si合金增材构件无热裂纹,且合金的晶粒结构为细小的等轴晶,平均晶粒尺寸为20μm。打印态合金沿0°方向和90°方向的抗拉强度分别为169 MPa和160 MPa,延伸率分别为11.4%和15.2%,经热处理后沿0°和90°的抗拉强度提升至300 MPa和295 MPa,延伸率降低至8.2%和4.6%。改性后由于合金析出了细小均匀的强化相,提高了合金的耐腐蚀性能。

关键词： 非熔化极电弧丝材增材   焊接机器人   二次开发   轨迹修正   机器视觉  

摘要： 增材制造技术是制造行业上一项革命性的技术。其中,丝材电弧增材制造技术是堆积材料为金属焊丝、热源为电弧的增材制造技术,本文从实际出发,选择更易于控制熔滴过渡、工程性价比更高的非熔化极钨极气体保护焊(GTAW)完成镍基焊丝的电弧增材制造实验。使用焊接机器人“再现”模式完成电弧增材制造,有着避免人为误差、精准控制轨迹、提高增材效率、提升增材精准度、高灵活性等诸多优势,但与外部环境零交互,焊接过程的自动化和智能化程度有限,不能满足高精度、高质量、高自适应性的作业需求。 本文将实验分为三个阶段:第一阶段为焊接增材制造工艺实验,得到电弧增材过程中最佳焊接弧长及其他参数组合;第二阶段为基于焊接机器人程序的增材制造实验,通过示教器编程的方式为电弧增材制造完成基础轨迹规划;第三阶段是基于机器视觉的焊接增材制造实验,以树莓派、摄像头作为机器视觉设备,以PC端作为数据传输平台,通过焊接机器人二次开发功能的使用,将“树莓派—PC端—焊接机器人”融合为一个整体,在增材过程中,焊接机器人从视觉系统得到增材件的高度从而修正机器人位置变量,保证焊接弧长的固定、实现对增材件成形的优化。 从实验结果看,摄像头高度识别误差范围在0～1 mm之间,其中有66.7%的误差值在0～0.5 mm之间;使用焊接机器人“再现”模式进行增材制造时,沉积高度在30.2 mm的增材件各点与最高点高度的平均差值为1.27 mm、平均高度重合率为0.959;而使用机器视觉、焊接机器人二次开发完成增材制造的构件沉积高度为68.9 mm(非上限),各点与最高点高度的平均差值为0.65 mm、平均高度重合率为0.986,极大地优化了对增材件的成形,有效地减少了增材件两端塌陷的情况,也使焊接机器人撞枪的风险大大降低。为电弧增材制造向自动化、智能化方向的发展提供了一些参考。

关键词： 电弧增材修复   神经网络   建模预测   分层切片算法   路径规划  

摘要： 随着制造业智能化的高速发展,智能算法在电弧增材修复技术展现出了巨大的优势,尤其是在提高失效金属部件的修复效率和质量方面展现出了独特的优势。针对传统人工修复方式的局限性,基于数据化、智能化的手段和电弧增材制造技术的特点,本文深入探讨了电弧增材修复技术的关键环节:成型预测控制、三维模型分层切片以及成型路径规划,并且设计一套电弧增材修复辅助软件,旨在解决现有技术应用于实际修复工程中遇到的挑战。主要研究内容如下: (1)在成型控制方面。本论文基于机器人电弧增材修复平台开展了系统性的成型特性研究,通过正交试验获得焊道尺寸数据,并建立基于BAS算法优化BP神经网络的尺寸预测模型,然后经过性能评估,验证了BAS-BP模型的有效性和泛化能力,成功开发了准确的尺寸预测模型,显著提升了成型控制的精度。 (2)在分层切片算法设计方面。研究了一种基于成型特性和几何特征的自适应切片优化算法,通过薄体和厚体结构的特征分析,并依据成型特性对分层过程中的层高进行调整,从而减少阶梯效应,优化成型过程,有效提高了分层切片效率和精度,扩大了电弧增材修复技术的应用范围。 (3)在路径规划方面。通过深入分析二维截面特征及焊道搭接特征,基于数学几何方式对焊道搭接距离进行求算,确定了一个最优搭接距离保证能够实现较好的成型质量,然后结合传统弓字型路径和轮廓偏置路径的优点,研究了一种高效且高质量的复合路径规划算法,解决了平面堆积时可能出现的成型形貌问题,提高了最终成型质量。 此外,本文介绍了电弧增材修复技术的硬件设备系统和软件成型系统的设计于实现,通过集成软硬件系统,实现从STL模型导入到路径规划,再到金属部件成型的自动化修复过程,显著提高了操作效率。本文的研究不仅提高了电弧增材修复技术的实际应用效果,也为未来该技术的研究和发展提供了新的思路和方法,对推动相关领域的工业应用具有重要意义。

关键词： 增材制造   梯度材料   工艺   组织   性能  

摘要： 传统方法制造功能梯度材料(Functionally graded material,FGM)存在制造效率低、材料结合度不高和致密度差等问题。丝材电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)是将电弧作为热源,按照特定路径逐层堆积熔化的丝材,成形所需要的三维零部件的技术,具有沉积效率高、成本低和生产周期短以及设计自由度高等优点,为增材制造梯度材料提供了新思路。 基于TIG电弧的增材制造过程稳定,无飞溅,材料的适用性高,是一种具有巨大应用潜力的增材制造方法。但是,TIG电弧增材制造的熔敷效率较低,为提高熔敷效率,需要提高熔敷电流,而在熔敷电流较大时,会造成电弧压力过大,熔池失稳产生缺陷,不利于后续增材沉积过程的进行。本文将双TIG电弧应用于增材制造功能梯度材料,在相同电流下,双TIG电弧与传统TIG电弧相比,能显著降低电弧压力,提高熔敷率,同时抑制电弧高速移动时产生的咬边和驼峰等缺陷,是一种高效率的电弧增材模式。对此,本文将其应用于梯度材料的增材制造,深入研究了双丝双TIG电弧增材制造不锈钢/低碳钢梯度材料的工艺、微观组织、力学性能和腐蚀特性。 开展了单层单道熔敷试验,研究了不同工艺参数对沉积层形貌的影响规律。结果表明,随着电弧移动速度增加,熔敷层的平均宽度和平均高度均减小;随着送丝速度增加,熔敷层的平均宽度减小,平均高度增加;在总电流一定时,改变电流配比,随着电流配比增加,熔敷层平均宽度略微减小,平均高度略微增加。在此基础上,得到了成形良好的工艺窗口。进一步研究增材沉积路径对梯度墙体成形的影响,结果表明,采用往复沉积的方式得到的梯度墙体成形良好,未见明显宏观缺陷。 研究了两种丝材不同成分比例对不锈钢/低碳钢单道熔敷层金属的微观组织、硬度和耐腐蚀性能的影响。结果表明,当不锈钢含量为0%和20%时,微观组织为马氏体和铁素体;随着不锈钢含量的增加,γ相增加。随着不锈钢成分比例的增加,硬度先增加后减小。不同不锈钢成分比的熔敷层金属的硬度超过400 HV,且大于100%不锈钢和100%的低碳钢单道熔敷层金属。电化学腐蚀结果表明,与100%低碳钢试样相比,成分比例为1:1时,不锈钢/低碳钢熔敷金属试样具有更强的耐腐蚀性能。 在上述研究的基础上,通过改变两种丝材的送丝速度实现梯度材料薄壁墙体的逐层沉积,研究了熔敷金属成分、微观组织、物相和性能。结果表明,随着不锈钢成分占比的增加,Fe元素含量逐渐减小,Cr和Ni元素含量逐渐增加。随着不锈钢成分在梯度方向的增加,马氏体相减小,奥氏体相增加。增材制造不锈钢/低碳钢梯度墙体组织沿梯度方向变化,从靠近低碳钢侧的铁素体+马氏体过渡到中部区域的马氏体,再到中上部的马氏体、奥氏体最终过渡到最顶部的奥氏体+铁素体组织。 梯度墙体的硬度沿着沉积高度的方向逐渐增加,基板热影响区硬度突增,整个变化范围为160 HV至400 HV;拉伸试验结果表明,水平方向的抗拉强度为1224 MPa,竖直方向的抗拉强度为1106 MPa,延伸率分别为11%和12.5%。与填充丝材相比,抗拉强度显著增加,延伸率明显下降,但是仍有较高水平的塑性储备。断口分析表明,拉伸断口均由大量韧窝构成,表现为延性断裂的特征,且存在氧化夹杂。分析认为,梯度材料高硬度和低延伸率的主要原因是存在马氏体组织和氧化物夹杂。电化学腐蚀结果表明,不墙体顶部的耐腐蚀性能高于底部,底部马氏体结构不稳定,会影响到耐腐蚀性。