关键词： 铝合金   电弧熔丝增材制造   磁场   微观组织   力学性能  

摘要： 铝合金具有轻质高强,良好的导热性及耐蚀性等优点,在航空航天、国防等领域被广泛应用。随着科技的发展,传统的制造方式已经很难满足对小批量定制化零件的制造需求,电弧熔丝增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)可以在满足上述要求的基础上实现对大型铝合金构件的制造。但铝合金WAAM构件存在的成形精度不足、力学性能不达标、缺陷风险较大等问题仍未得到合理解决。而熔滴作为传热传质重要介质,对构件沉积精度和制造效率存在重要影响。对此,本文针对冷金属过渡技术(Cold metal transfer,CMT)的熔滴过渡行为,利用高速摄像系统对其进行数据采集,以分析辅助磁场对熔滴过渡行为的影响规律。进一步,结合光学3D扫描系统、SEM、TEM等微观组织分析手段,对沉积构件的成形质量、微观组织及力学性能进行研究,研究内容和结果如下: 基于高速摄像结果,研究磁场强度对熔滴过渡行为的影响。发现随着磁场强度的提升,熔滴的过渡形态由无磁场时的球形向椭球形、饼状、环状液束转变,并在磁场强度过高时会出现大量飞溅。同时,磁场强度的提升,也会使射滴阶段的熔滴过渡次数增加。 基于宏观形貌与表面平整度,对不同磁场强度作用下的构件成形质量进行评价。发现磁场对构件表面的熔池流淌及混层现象起抑制作用,但过高的磁场强度再次诱导熔池流淌及混层现象的发生。构件的表面平整度随着磁场强度的提升呈现先减小后增大的趋势,最小标准偏差为0.392 mm,相比无磁场时降低了25.05%。 在磁场的辅助下,构件的晶粒有效的被细化。当磁场强度为12 m T时,磁场对晶粒的细化效果最明显,构件各区域的柱状晶组织均有所减少,并且构件上部和中部区域的组织基本为等轴晶组织,构件中部区域晶粒尺寸更加均匀细小,平均晶粒尺寸相比无磁场时降低了25.2%。在力学性能方面,构件的显微硬度相比无磁场时有小幅度提升,硬度值的分布范围更窄、更加集中。构件的拉伸性能随着磁场强度的提升呈现先增加后减小的趋势,并在磁场强度为12 m T时构件获得了最佳拉伸性能,抗拉强度为228.33 MPa,屈服强度为127.59 MPa,延伸率为11.0%。

关键词： 结构光视觉   电弧增材制造   表面检测   深度学习  

摘要： 金属电弧增材制造技术具有研制周期短,沉积效率高,设备成本、运行成本低以及材料利用率高等特点,被广泛应用于不同行业中。但在生产过程中,存在诸多不稳定因素会使得工件表面产生缺陷,影响了工件的层间质量和最终成型精度。表面缺陷检测成为衡量电弧增材制造工件质量的关键步骤。为了实现对表面缺陷的快速定性检出和准确定量测量,本文基于结构光视觉传感器搭建了电弧增材制造表面检测系统,提出了一种基于深度学习模型的双阶段表面检测算法,对缺陷定性检出和定量测量的关键技术展开研究。 首先,确定了电弧增材制造表面缺陷检测系统的性能要求,搭建了检测系统硬件平台;完成了系统标定并进行了标定的误差分析,测试宽度和高度误差平均值分别为0.13 mm和0.01 mm。 然后,提出了用于结构光条纹图像缺陷检测的YOLOv5-LVS模型。为了提高检测的实时性,使用轻量化特征提取网络Mobile Netv3替换了原有的特征提取网络;针对模型预测框的准确度低的问题,CIo U损失函数被替换为MPDIo U损失函数。在测试中,YOLOv5-LVS模型在缺陷条纹图像数据集上以每秒112帧的速度下获得了97.9%的平均精度,满足了表面检测中缺陷定性检出的要求。 其次,为了实现对缺陷的定量测量,对缺陷条纹图像进行了图像处理,去除干扰信息的同时保留了条纹图像有效信息;提出了多列灰度重心法提取条纹中心线,并且进行了中心线断点处的小范围拟合连接。通过缺陷检测模型的输出信息对缺陷区域进行了定位,借助数据分流对点云进行了优化处理,提高了检测系统的实时性,并且使用改进的点云切片法完成了对缺陷的体积计算。 最后,对含有凸起、凹槽、焊偏凸起以及焊偏凹槽缺陷的试样进行了质量检测与评估实。结果表明,缺陷的检出率为100%,缺陷帧检出的完整度在90.6%以上。与此同时,缺陷的几何体积被有效地测量出,缺陷的几何宽度测量误差在0.18 mm以内,满足实际检测的需求。

关键词： Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金   数值模拟   电弧增材   组织演变   力学性能  

摘要： 近年来,随着我国航空航天及军工等领域飞跃式发展,装备轻量化问题迫在眉睫。镁合金作为目前工程应用中最轻的金属结构材料拥有巨大的发展潜力。高性能稀土镁合金（Mg-RE）具有密度低、良好的室温、高温机械性能和抗腐蚀性能等优点,可应用于航空航天大型壳体、支架等复杂关键部件。然而,铸造、挤压或锻造等传统工艺很难制造大尺寸复杂稀土镁合金构件,严重限制了Mg-RE合金在工业中应用。CMT电弧增材制造技术以金属丝材为原材料、电弧为热源将丝材熔化逐层沉积,可直接成形大型复杂毛坯制件,具有成形效率高、设备成本低等优势。本文针对CMT电弧增材成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金难以满足航空航天及军工等领域热变形及高温性能的要求,对其电弧增材成形过程的宏观温度场及微观相场进行仿真,研究温度梯度及焊接速度对晶粒生长的影响;通过变形过程中等效应力应变及组织演化规律,系统研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金室温及高温压缩变形机理及不同温度、应变速率对位错、再结晶、织构及孪晶的影响规律。主要研究结果如下: （1）研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金CMT电弧增材制造过程宏观温度场及微观晶粒的生长过程。熔池尺寸随着温度的升高不断增大,随增材层数的增加,高温区域不断扩大,先沉积的区域对后续沉积层产生热积累效应;距离熔池匙孔中心越远,温度梯度变小,推进速度变大,晶粒生长速度变快;SEM及EBSD分析表明CMT电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr沉积件晶粒竞争生长以α-Mg为基体,β-Mg24（Gd,Y）5第二相均匀分布在晶界处,进而抑制晶粒生长。 （2）研究了CMT电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金横截面及纵截面常温压缩变形断裂机制。横截面力学性能优于纵截面,这归因于横截面分布均匀的等轴晶及β-Mg24（Gd,Y）5所起到的细晶强化和沉淀强化效果优于分布不规则的纵截面。应力应变集中点在试样剪切部位的聚集是导致合金断裂的直接原因。断口存在明显的“解理台阶”及“舌状花样”,证明沉积件具有一定的脆性,且断裂类型为穿晶断裂。 （3）研究了CMT电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金在400℃、（?）=0.1s-1及变形50%条件高温组织演化机理。建立了阿伦尼乌斯型本构模型,得到了直观的等效应力应变分布,数值模拟测得峰值应力与是实验值相近。峰值应力随着温度的升高或应变速率的变小而降低。变形后的组织出现孪晶,且周围分布大量高密度位错及层错。Schimid因子表明,随着压缩的进行,滑移主要沿着{10-10}<11-20>方向发生。 （4）研究了不同变形条件下(温度623-723K、应变速率0.01-1 s-1)电弧增材制造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金高温压缩组织演化机理。随着应变速率的升高（温度的降低）,合金位错密度增加,晶粒内部再结晶机制由DDRX转变为CDRX。随着应变速率增加,{10-10}面上织构分布更加集中,织构强度从6.79降为2.24。变形后组织存在压缩孪晶{10-11},含量随温度的降低（应变速率的升高）而增加。