关键词： 激光-电弧复合增材制造   Al-Zn-Mg-Cu合金   组织演变   力学性能   热处理调控  

摘要： Al-Zn-Mg-Cu合金兼具低密度、高比强度和刚度等优点,是新一代航天飞行器高性能、轻量化核心部件的优选材料。然而,传统铸造/锻造成形+铆接/焊接连接的制造方式面临质量一致性差、生产效率低等问题,难以满足航天飞行器不断缩短的研制周期和升级换代的迫切需求。利用增材制造技术制备Al-Zn-Mg-Cu合金零件能够突破传统加工方法对产品形状的限制,尤其在缩短加工周期和结构功能一体化制造等方面具有得天独厚的优势。但是,由于增材制造的非平衡熔凝特征,以及Al-Zn-Mg-Cu合金极高的裂纹敏感性,目前单一激光增材制造热裂纹难以消除,而电弧增材制造气孔缺陷多,且微观组织存在粗大柱状晶粒、元素偏析严重和析出相分布不均匀等瓶颈问题,致使成形样件难以兼顾高强度与韧性,严重阻碍了此类合金增材制造技术的工程化应用。为此,本文将能量定域可控激光与高效率电弧耦合,提出脉冲激光-电弧复合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的新方法,系统探讨缺陷形成机理及其工艺调控,构建复合增材制造熔池热-流耦合模型,并揭示微观组织演变规律,明晰组织状态与力学性能间定量关系。针对元素偏析、纳米析出相数量少及性能较低的问题,开发适用于复合增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的热处理工艺,实现组织与性能的调控与优化,为高性能Al-Zn-Mg-Cu合金构件的快速制造提供科学依据和工艺决策。主要研究内容和结论如下: (1)搭建出Al-Zn-Mg-Cu合金脉冲激光-电弧复合增材制造系统,确定低气孔率的工艺参数范围,并利用多元非线性回归方法建立了气孔率预测模型,实现无裂纹且低气孔缺陷的薄壁结构的制备。基于Al-Zn-Mg-Cu合金溶质元素蒸发速率的计算,表明复合增材制造过程中元素烧损是Zn在熔池发生汽化造成的,且Zn损失量为3%。根据气孔的尺寸和空间分布特征,得出样件内部气孔可分为氢气孔和匙孔诱导型气孔两类。工艺参数对气孔率的影响程度为单脉冲能量>扫描速度>电弧电流>脉冲频率。其中,单脉冲能量对气孔率的影响最明显,随着单脉冲能量的提高,因脉冲激光搅拌熔池效应,气孔率降低。而过高的单脉冲能量导致处于不稳定状态的匙孔失稳塌陷,气孔率升高。 (2)研究工艺参数对成形样件晶粒形态、物相组成和元素分布等微观组织的影响规律,结合热-流耦合数值模拟阐明了熔池传热传质行为与凝固组织的内在关联。结果表明,激光功率对熔池熔化模式的影响最显著,进而赋予不同的组织形态。随着激光功率逐步增加,熔化模式从“传导”模式过渡到“匙孔”模式,且形成了双峰粒度分布的晶粒特征,即电弧区中柱状晶粒和激光区中等轴晶粒共存。当激光功率为180 W,成形样件的晶粒显著细化,平均晶粒尺寸相比激光功率0 W的样件减小了57%。同时,粗大共晶组织的含量和元素晶界偏析程度降低。此外,激光-电弧复合作用下,熔池内不同区域经历周期性加热和冷却,并且匙孔动态变化促进了熔池对流。通过提取固液界面处的凝固参数并建立了柱状晶向等轴晶转变模型,发现高激光功率工艺可促使柱状晶向等轴晶转变。 (3)明晰了Al-Zn-Mg-Cu合金复合增材制造缺陷、微观组织对室温和高温拉伸性能及其各向异性的影响规律。在优化的工艺参数下,样件的各项性能相对于激光功率为0 W有显著提升:抗拉强度增加超16%,从274±7 MPa增至319±9 MPa,且抗拉强度的各向异性降低了30%。揭示了组织状态对性能的影响规律,沉淀强化、固溶强化与细晶强化对屈服强度的贡献占比依次降低,纳米η相引起的沉淀强化对屈服强度的提升增量达到60%。高温性能测试发现,在473 K高温环境下沉积样件承受拉伸载荷的能力减弱,其抗拉强度、屈服强度和断后伸长率变为240±15 MPa、201±12 MPa和2.6±0.3%,相较于室温性能分别下降了25%、13%和10%。 (4)在最优成形工艺的基础上开发出组织和性能调控的“双级固溶处理+时效处理”的热处理方法,并优化热处理工艺参数以实现力学性能的进一步增强。研究表明,经热处理后,元素偏析和析出相分布不均匀现象被消除,高密度的纳米析出相均匀分布于Al基体。最佳热处理工艺为双级固溶处理(723 K/2 h+748 K/2 h)+时效处理(398 K/24 h)。在此条件下,室温抗拉强度大幅提高至602±8 MPa,超过已知公开报道的增材制造AlZn-Mg-Cu合金的最高水平,且能与Al-Zn-Mg-Cu合金锻件相媲美。同时,其高温(473K)屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为318±16 MPa、362±20 MPa和6.8±0.3%,对比沉积态Al-Zn-Mg-Cu合金提高了58%、51%和162%。另外,热处理改善了力学性能各向异性。相较于沉积样件,热处理态样件的抗拉强度各向异性降低了43%。研究成果已应用于航天企业,解决了高强铝合金增材缺陷多、性能

关键词： 2319铝合金   CMT电弧增材制造   电弧摆动   双级时效   组织性能  

摘要： 2319铝合金作为一种重要的轻量化结构材料,以其优良的综合性能,广泛应用于航空航天、新能源汽车、装备制造等领域。CMT电弧增材制造作为一种先进的制备技术,在航空用大尺寸构件的快速成形领域,具有广阔的应用前景,但目前仍然受到构件的组织分布不均、各向异性和气孔等问题的制约。因此,本文以单道焊缝的成形质量和尺寸为分析对象,进行工艺参数优化,并制备了铝合金增材构件,着重分析构件的宏观形貌、显微组织和力学性能。最后,采用双级时效热处理工艺,研究热处理过程中的组织性能演变。具体研究内容如下: 分析送丝速度、焊接速度、CMT模式和电弧摆动对焊缝宏观形貌的影响,同时建立焊缝截面尺寸模型,研究工艺参数对成形系数、焊缝宽度、高度和润湿角的变化规律。结果表明,CMT模式,焊接速度为50 cm/min,送丝速度为5 m/min时,工艺参数匹配度较好,可以获得成形良好的焊缝。CMT+P模式的焊缝铺展效果更好,成形系数较大,适合作为底层成形工艺。CMT加入电弧摆动的焊缝成形效果最优,尺寸精度更高。 在优化的工艺参数下,通过KIDE软件编程机器人轨迹进行增材制造试验,研究电弧模式、电弧轨迹对构件的宏观形貌、组织缺陷和性能的影响。结果表明,电弧摆动能够显著提高构件的成形效果,使构件内部组织更加均匀,晶粒尺寸差异减小且织构强度降低,孔隙率仅为0.42%,抗拉强度和伸长率均优于其它试样,具有良好的综合力学性能。 通过差式扫描量热分析、固溶强化曲线和时效硬化曲线确定了单级时效和双级时效热处理方案,重点研究热处理过程中的组织演变规律、在塑形变形过程中的力学行为和腐蚀介质中的电化学腐蚀行为。结果表明,固溶处理改善了组织和成分的不均匀性;单级时效提高了力学强度,但由于在晶界附近析出粗大的Al2Cu,塑形较差;双级时效可以在低温预时效阶段形成高密度均匀分布的GP区,从而在后续高温时效阶段析出更加细小、弥散分布的强化相,显著提升了力学性能,抗拉强度为390.3 MPa,相比沉积态提高了80.1%,相比单级时效态提高了10.7%。电化学腐蚀结果显示,双级时效有效提高了试样的抗腐蚀能力。

关键词： 电弧增材制造   成形形貌   图像处理   缺陷识别与定位   缺陷成形优化  

摘要： 近年来,随着科技的进步,电弧熔丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术得到了各行业上的广泛关注。当前,电弧增材制造有着非常完整的路径规划和切片系统,但对过程中偶然出现的缺陷和成形优化问题的研究较少。本文提出了一种将视觉传感、图像处理和深度学习与六轴机器人运动相结合的方法来对电弧增材制造产生的表面缺陷进行识别和成形优化。 试验通过视觉系统、图像处理、缺陷识别和机器人通讯等来完成上位机软件的开发。由工业相机组成的视觉系统先要对其相机进行标定,来完成缺陷特征点的像素坐标到机器人坐标点的精确转换,通过YOLOv7构建卷积神经网络模型对增材缺陷进行识别,通过缺陷特征点识别来获取缺陷的像素坐标,将缺陷的像素坐标的转换得到机器人的坐标并通过与机器人建立的通讯完成对机器人坐标的发送,控制机器人运动来完成对增材件的成形优化。 首先,搭建了集视觉传感的电弧增材制造系统,明确了视觉系统中四个坐标系的相互关系,完成了相机内外参数的精确标定。采用了两步法进行手眼标定,获得了精确的手眼旋转矩阵。 其次,探究了不同工艺参数下单道单层和单道多层的成形质量,对电流、沉积速度和送丝速度对沉积层尺寸的影响进行了详细的探究。结果表明,沉积层宽度随着电流和送丝速度的增大而增大,超过临界值后反而下降,粗糙度也随之变大。在其它条件不变时,电流为140A,送丝速度为170cm/min沉积层表面形貌良好,宽高比适中。层宽随沉积速度的增加而减小,此外,还建立了增材工艺参数与层高和层宽之间的二次回归方程,确定了工艺参数与成形尺寸之间的关系,为后续切片和路径策略提供基础。 紧接着,将收集的电弧增材缺陷图片进行多算子融合缺陷边缘提取方法,极大克服了噪声对图像边缘提取的影响,获取了更精准的缺陷边缘信息。利用YOLOv7构建卷积神经网络模型对成形缺陷进行识别,通过不断调整模型参数以及最小化损失函数,使缺陷识别率和定位准确率分别达到95%和91.4%。 最后,基于LabVIEW完成了上位机软件的开发和应用,实现了视觉传感系统的标定、图像处理和缺陷识别。建立了了机器人与上位机之间的通讯系统,实现了上位机对机器人的坐标通讯,完成了对增材件的缺陷识别和优化,使增材件达到目标要求。

关键词： Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金   热模拟   多道次热拉拔   组织演变   力学性能  

摘要： Mg-Gd-Y-Zr-Zn镁合金具有低密度、高强度、良好的耐热和耐蚀性能以及良好的高温力学性能等特点,在航空、航天领域受到广泛关注。近年来,电弧增材技术的快速发展为该稀土镁合金复杂零部件快速制备提供了新的技术支撑。然而,由于室温下塑性变形能力差、高温下变形抗力大,导致常规的挤压、拉拔工艺制备Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金丝材非常困难,严重制约电弧增材Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金部件的发展与应用。因此,亟需开展电弧增材用Mg-Gd-Y-Zr-Zn合金丝材制备技术开发以及相关的微观组织与力学性能演变规律研究。 本文以挤压态Mg-9.5Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金为研究对象,在热模拟试验得到的流变应力-应变曲线的基础上,获得了变形本构模型和再结晶模型;研究了Mg-9.5Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金在热变形过程中的流变行为,探究了其在不同变形温度和应变速率下的组织演化行为。然后,基于热模拟试验结果,采用多道次热拉拔工艺成功制备了电弧增材用Φ1.2 mm Mg-9.5Gd-4Y-2Zn-0.5Zr合金丝材,并研究了多道次热拉拔过程中丝材的微观组织和力学性能的演变规律及其对强化机制的影响,主要结果如下: （1）研究了挤压态Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在热变形过程中(350℃-500℃,0.001s-1-1 s-1)的流变应力-应变曲线。变形温度越低,应变速率越高,合金的流变应力越大。当变形温度超过450℃时,应变速率越高,动态再结晶软化材料流变应力的现象越显著。 （2）获得了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在350℃-500℃的变形温度和0.001 s-1-1 s-1的应变速率下的本构方程,平均激活能为171.150 k J/mol,应力指数为2.422。热加工图显示合金的加工失稳区位于低变形温度（<400℃）和高应变速率(>0.05 s-1)的区域。 （3）Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金包含晶界块状长周期有序相、晶内层片状长周期有序相、富稀土相以及富Zn富Zr相。热变形过程中,合金发生动态再结晶,在1 s-1、400℃条件下,动态再结晶晶粒尺寸最小,为1.14μm;动态再结晶体积分数为20.3%。动态再结晶形核机制取决于合金中位错密度的变化,位错密度较小时,倾向于晶界弓出形核;反之则倾向于亚晶迁移形核。 （4）热拉拔过程中,Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在高温、变形和动态再结晶共同作用下,平均晶粒尺寸由最初的4.6μm增加到25.9μm,最终减小至6.7μm,同时由随机织构发展为变形晶和动态再结晶的基面织构。热拉拔过程中,合金中晶界块状长周期有序相逐渐被拉长,最终呈现纤维状平行于拉拔方向。 （5）Φ1.2 mm Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金丝材的抗拉强度为553.5 MPa,屈服强度为496.3 MPa,延伸率为2.5%。其中晶界块状长周期有序相相的承载强化是主要的强化机制。经试验,Φ1.2 mm丝材可进行电弧增材成形,试样宏观形貌平整,表面无裂痕,微观组织均匀。

关键词： 5356铝合金   冷金属过渡加脉冲   路径规划   交叉结构   横筋结构  

摘要： 5356铝合金具有一系列优异的性能,如密度低、比强度高、良好的导热性和导电性以及出色的耐腐蚀性和成形性。因此,5356铝合金被广泛应用于航空航天、汽车以及其它民生领域。在工业生产诸多领域中,大型化和轻量化成为高端设备发展的趋势,因此造成设备中的结构制造复杂并且对性能要求变高。其中复杂结构被广泛应用于工业生产中,例如汽车车身和飞机机翼的交叉结构;船舶、飞机和汽车车身上的横筋结构等。传统的加工方式如铸造、锻造和机械加工,一方面很难满足复杂结构的成形质量和成本控制,另一方面很难或者无法成形复杂结构。因此,本文以5356铝合金为研究材料,基于冷金属过渡加脉冲（Cold Metal Transfer+Pluse,CMT+P）技术,对交叉与横筋结构进行电弧增材（Wire Arc Additive Manufacture,WAAM）成形工艺研究,并对成形后交叉与横筋结构的微观组织和力学性能进行分析,具体研究内容及主要结论如下: （1）路径规划对5356铝合金WAAM微观组织与力学性能的影响。针对5356铝合金多层多道实验,设计三种路径规划。通过分析三种路径规划的不同区域强塑性变化规律,探索不同路径规划及不同区域微观组织对力学性能的影响,最终得出最优路径规划。研究表明蛇形往复路径为最优路径规划,其宏观形貌和力学性能优于其余两种路径。三种路径试样水平方向的不同区域均由α-Al基体和β（Al3Mg2）相组成。此外,每种路径的力学性能随着沉积高度的增加而降低,平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加而增大。 （2）WAAM成形5356铝合金交叉结构微观组织与力学性能研究。基于第三章的最优路径规划,对交叉结构成形设计两种区域划分,通过分析两种区域划分的不同区域强塑性变化规律,探索两种不同区域划分及不同区域微观组织对力学性能的影响,最终实现最优区域划分。研究表明区域划分二为最优区域划分,其宏观形貌和力学性能优于区域划分一。每种区域划分试样的力学性能随着沉积高度的增加而降低,平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加而增大。 （3）WAAM成形5356铝合金横筋结构微观组织与力学性能研究。基于第三章的最优路径规划成形横筋结构。横筋结构由圆筒和横筋部分组成。分别对圆筒部分、结合部分和横筋部分的不同区域的微观组织与力学性能进行研究。研究表明圆筒部分力学性能最高,其力学性能随着沉积高度的增加而降低。圆筒部分和横筋部分的不同区域组织构成均由等轴晶区与柱状晶区呈周期性层状交替分布,而结合部分左侧为柱状晶,右侧柱状晶重熔后为等轴晶。圆筒部分的平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加而增大,而横筋部分的平均晶粒尺寸随着沉积高度的增加无明显变化。

关键词： 2319铝合金   CMT电弧增材制造   工艺优化   组织与性能   磁场辅助  

摘要： 2319铝合金属于2000系铝铜合金,因其具有比强度高、综合性能好,特别是在高、低温条件下性能稳定,抗腐蚀能力强等特点,被广泛应用于航空航天领域,如制作飞机蒙皮、飞机双面翼梁等。随着航天工业的日益发展,航天结构件趋向于复杂化和大型化,而增材制造技术凭借制造效率高、节约成本等优势逐渐成为2000系铝合金结构及零部件制造的重要发展方向。相比于激光增材制造、搅拌摩擦增材制造和电子束增材制造等增材技术,电弧增材制造具有设备成本低、成形速率快等优势,其中冷金属过渡电弧增材制造（Cold Metal Transfer-Wire Arc Additive Manufacturing,CMT-WAAM）热输入低,飞溅少,适合铝合金的增材制造。本文系统研究了2319铝合金的电弧增材制造工艺,分析了工艺参数对增材制造铝合金成形和组织性能的影响规律,研究后续热处理对组织和性能的影响,并引入磁场辅助工艺,研究了外加磁场对成形件组织和性能的作用机理。 首先,对2319铝合金电弧增材制造工艺进行了研究,分析了沉积电流、扫描速度以及沉积间隔时间对成形件表面质量、微观组织和力学性能的影响。当沉积电流为90A,扫描速度为0.4m/min,沉积间隔时间为90s时试样成形较好,表面平整,气孔数量较少,组织由α-Al基体和网状共晶组织（α-Al+θ-Al2Cu）构成,第二相θ-Al2Cu粒子分布于晶间。力学性能较好,成形件沿增材方向的抗拉强度为253MPa,延伸率为15.6%;沿扫描方向的抗拉强度为252MPa,延伸率为13.9%。 其次,研究了热处理工艺对电弧增材制造2319铝合金成形件组织和性能的影响,经试验优化后确定的热处理工艺参数为:固溶处理540℃/6h+时效处理175℃/6h。成形件经固溶处理后,网状共晶组织和第二相溶于α-Al基体中,再经过时效处理,第二相从基体中析出弥散于晶间,并伴有再结晶的现象。沿增材方向的成形件抗拉强度为384MPa,屈服强度为244MPa,延伸率为18.5%;沿扫描方向的抗拉强度为379MPa,屈服强度为228MPa,延伸率为20.3%。 最后,研究了磁场辅助对电弧增材制造的影响。调节励磁电流,成形件的表面质量随着电流的变化发生明显改变,当励磁电流达到3A时,成形件表面无波浪状起伏,组织软化区的粗大柱状晶尺寸减小,沿增材方向的抗拉强度为269MPa,延伸率为20.5%;沿扫描方向的抗拉强度为268MPa,延伸率为19.5%,相比于无磁场辅助的成形件力学性能均有提升。研究发现,磁场辅助增材制造过程中,外加磁场对电弧中带点粒子作用后能够形成稳定电弧的力,与通过焊丝和熔滴的电流作用产生旋转的力,搅拌熔池达到细化晶粒的目的,揭示了外加磁场对2319铝合金电弧增材制造成形的强化机制。

关键词： 电弧增材制造   308L不锈钢   成形精度   热处理   层间冷却   梯度电流  

摘要： 电弧熔丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种先进的生产制造技术,在电弧产生的热量下使焊丝充分熔化,逐层堆积实现三维零件制造。该技术具有效率高、周期短、成本低以及设备简单等诸多优势。308L不锈钢具有较低的碳含量,表现出优异的焊接性能、抗裂性能和耐蚀性能。在WAAM应用中,308L可以用于焊接304不锈钢,这是因为308L具有良好的耐腐蚀性和力学性能,适用于与304不锈钢基材相匹配的焊接,广泛用于石油化工、压力容器、核反应堆、船舶制造、医疗以及化工设备等领域。尽管WAAM具有很多优点,它也存在一些挑战和限制,例如材料制造精度的控制以热循环造成的沿构建方向性能不均匀等问题。针对以上存在的问题,本文基于WAAM过程中控形和控性的角度,开展了308L不锈钢WAAM试验。具体研究内容如下: 首先,通过正交设计试验方案,基于响应面法建立了308L不锈钢WAAM工艺参数(焊接电流、焊接速度)以及焊接影响因素(钨极尖端角度)与焊缝成形尺寸(熔高、熔深、熔宽、润湿角、稀释率)之间的数学模型,然后结合具体的单道单层焊缝试验结果进行方差分析(ANOVA),分析了焊接电流、焊接速度和钨极尖端角度对焊缝成形的影响。建立的模型能够准确反映工艺参数与焊缝成形尺寸之间的关系,可用于预测焊缝的成形情况。该模型揭示了焊接电流、焊接速度和钨极尖端角度对焊缝成形的影响规律,确定了最佳的参数组合区间,建立了参数组合数据库,为单道多层成形件增材制造提供了基础。同时,进一步的研究了参数优化以及摆动对单道多层成形精度的影响,为单道多层增材制造中遇到的问题提供了合理的解决方案。 其次,为了解决增材过程中由于热积累造成的成形件沿着构建方向性能不均匀的问题,研究了热处理、层间冷却、梯度电流对改善308L WAAM成形件沿构建方向性能不均匀的影响。其中,热处理通过改善薄壁墙组织达到改善性能不均匀的问题;层间冷却通过控制层间温度,阻断大的柱状晶的跨层生长,减小各向异性来改善性能不均匀的问题;梯度电流通过控制从底部到顶部热量输入、热量损耗和热量积累三者之间的平衡改善性能不均匀的问题。 综上所述,本研究使用WAAM工艺,建立了308L薄壁墙的参数组合数据库,实现了对增材制造成形件精度的控制,并改善了WAAM成形件沿构建方向性能不均匀的问题。对WAAM技术的发展和应用具有重大的意义。