关键词： 三丝间接电弧   增材制造   未熔合缺陷   倾斜基板   力学性能  

摘要： 增材制造是一种新兴的制造技术,有着生产成本低、效率高以及可以制造复杂结构件等优势,对于现代的加工制造业是一种重要技术。电弧增材制造技术具有力学性能好、致密度高等优势,但是往往面临热输入与熔覆率的矛盾。三丝间接电弧(TW-GIA)是一种低热输入、高熔覆率的熔覆方法,本文将TW-GIA技术应用于增材制造领域研究中,实现了多层多道块体零件的增材制造。主要研究内容与结论如下: (1)设计了三种TW-GIA的增材路径,对比研究了其成型特性与性能。结果表明,三种不同的增材路径均会形成未熔合缺陷。平行顺序增材路径试件的缺陷面积比为11.71‰,但是该试件有着84.70%的材料利用率、较为平均的表面粗糙度,试件平均硬度为245.4 HV0.2,横、纵向抗拉强度和断后伸长率分别为463 MPa、25%和455 MPa、27%,综合力学性能是所有增材路径中最好的。因此,认为平行顺序增材路径是最优的TW-GIA增材路径,但是未熔合缺陷仍需进一步采取措施改善。 (2)分析了未熔合缺陷的形成机理,提出了倾斜基板熔覆的工艺优化方案。使用优化后的工艺进行了单层多道熔覆试验。结果表明,在基板倾斜后,电弧可以直接对前一熔覆道焊趾部位进行加热,熔化该区域的凝固金属,并与熔滴结合形成共熔池,在合力的作用下沿基板向下流动,可以得到成型致密的堆积层。但是该工艺也存在首道熔覆道在倾斜基板状态下的流淌现象,因此,对单道熔覆道进行了工艺探究并捕捉了熔池流动形态,发现随着倾斜角度的增加,熔覆道的沿基板向下流淌现象变得严重。因此,提出在熔覆过程中的首道熔覆道于平板状态下堆积、后续熔覆道在倾斜基板状态下堆积的改善工艺,该工艺可以得到首道熔覆道不流淌、无未熔合缺陷的致密熔覆层。 (3)使用倾斜基板和脉冲电流的优化工艺进行了多层多道块体增材试验。结果表明,倾斜基板和脉冲电流共同作用可以大幅度降低未熔合缺陷的缺陷面积比,随着基板倾斜角度增加,缺陷面积比逐渐降低,倾斜40°下的试件缺陷面积比仅有1.36‰,未熔合缺陷得到极大改善。但试件材料利用率也有所降低,倾斜40°下的试件材料利用率仅有81.48%。试件的X方向表面粗糙度在倾斜基板状态下较大,说明倾斜状态的熔池侧壁流动现象会增加X方向粗糙度。在脉冲电流的搅拌作用下可以细化晶粒,试件性能得到改善,倾斜30°的试件有着252.9 HV0.2的最高平均硬度,倾斜20°的试件横向、纵向拉伸试件的抗拉强度最高,分别为655 MPa、706 MPa,倾斜40°的试件拥有最高的横向、纵向断后伸长率,分别为9%、12%。

关键词： 电弧增材   Al-Cu-Mg-Ag合金   热处理   微观组织   力学性能  

摘要： 随着我国高端装备制造业的飞速发展,新材料的设计、生产与应用作为关键技术突破的基础有着极其重要的地位。当前部分航天产品不仅追求轻质高强,还对耐温性提出了新的要求,且对此类材料和构件的研制周期与成本控制有着严苛的要求。Al-Cu-Mg-Ag系耐热高强铝合金以其更高温度的热稳定性引起了研究人员的广泛关注。然而,传统材料制备、成形制造模式下周期长、成本高,如何实现符合航天产品技术指标的Al-Cu-Mg-Ag合金构件高效低成本制造成为关键。电弧增材在金属增材制造技术体系中具有沉积效率高、硬件及运行成本低、可成形大型复杂结构件的特点,为Al-Cu-Mg-Ag合金构件高效低成本制造提供合适的技术路径。因此,本文旨在探索一种定制化Al-Cu-Mg-Ag合金的电弧增材制造工艺特性,并研究增材成形构件微观组织和性能在热处理条件下的演变规律,提出适用的热处理规范,主要的研究成果简介如下。 （1）对采用的Al-Cu-Mg-Ag合金新材料的电弧增材成形能力进行了对比评估。电弧增材成形能力可以类比可焊性概念的部分内涵,业界尚无系统讨论。本文从表面张力系数影响熔池流动、电弧气氛影响燃弧和熔滴过渡稳定性两个角度对这种新材料的成形能力进行了分析,并以常用的2319丝材成形能力作为参照对比。通过激光熔滴生长控制方法对Al-Cu-Mg-Ag合金的表面张力系数进行测定,并结合熔滴过渡高速摄像观测和电弧电信号分析对两种材料单道成形形貌的差异进行了分析。结果表明:Al-Cu-Mg-Ag合金与2319合金相比具有更低的表面张力系数,液态熔池的润湿铺展能力更强,熔滴过渡到基板形成熔池后的回流过程更加充分,使得在低热输入条件下成形质量有明显改善。在电弧方面,试验观测到Al-Cu-Mg-Ag合金熔滴过渡行为更加稳定、平滑,同步采集的电信号波形的噪声和扰动特征明显减弱,显示Al-Cu-Mg-Ag合金为丝材电极时电弧稳定性更好,而且在同等电流下,Al-Cu-Mg-Ag合金电弧弧长更高但弧压反而有所降低,这是由于Ag元素和更高含量的Mg元素使得电弧气氛电离度提升,故而电弧本身更稳定,对熔池的笼罩和加热也更加均匀,这也是Al-Cu-Mg-Ag合金低热输入单道成形能力明显改善的原因之一。 （2）基于CMT（Cold Metal Transfer）电弧工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材制造工艺特性进行了基础但非常必要的试验研究。对比分析了多种电流波形-熔滴过渡预设模式下沉积层的成形特点。结果表明,CMT+P（CMT短路过渡附加脉冲波形）工艺模式下的Al-Cu-Mg-Ag合金沉积层具有更为光滑的表面,更均匀的形貌特征,以及更充分的层间结合。在此基础上系统地分析了CMT+P模式下相关工艺参数对Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材成形构件形貌的影响规律。进一步对Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材构件的内部微观组织特点与缺陷分布特征以及力学性能进行了测试。结果表明:电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金构件在达到热稳定层数后,沉积层中心处的微观组织多呈等轴晶分布,但在层间区域发现了排列整齐的柱状晶区和增加的气孔缺陷,多层热循环导致初始层道微观组织中出现纳米级析出相,使构件底部硬度得到提高,增材构件水平方向和垂直方向取样测得平均抗拉强度分别为260 MPa和247 MPa,符合预期。 （3）对电弧增材Al-Cu-Mg-Ag合金在固溶和时效处理下的组织性能演变机制进行了研究。通过多种显微分析方法对比分析了不同固溶与时效处理条件下Al-Cu-Mg-Ag合金内部析出强化相的尺寸、种类与分布特征。结合不同固溶-时效条件下合金力学性能的变化规律,明确了适用于电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金构件的固溶和时效处理规范参数,从而保障在固溶处理阶段充分促进析出相的溶解和固溶过程。试验分析发现由于合金中Ag的加入,时效处理时,形成的Mg-Ag团簇促进合金内部弥散析出大量的细小纳米级?相,其平均长度在52nm,厚度为（2.5～3）nm,有利于为合金提供更优越的高温性能稳定性。 （4）对热处理态Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材试件的耐高温性能与耐腐蚀性能进行分析。结果表明,经热处理后的Al-Cu-Mg-Ag合金试件在200℃下垂直方向的抗拉强度平均值为310.0 MPa,为热处理后室温抗拉强度的83.3%。试验观测发现时效过程析出的大量细小弥散分布Ω相在高温下不易聚集长大的特点,这使得合金在200℃下仍能具有良好的力学性能。而在熔积-固溶-时效过程中发现的其他含Ni与含Mn的三元相也作为热稳定相积极影响了合金的耐高温性能。由于经热处理后的Al-Cu-Mg-Ag合金析出相成分依然为Al2Cu,腐蚀形态依然主要以点腐蚀为主,合金中析出相Al2Cu与铝基体之间的电位差导致铝基体会率先受到腐蚀形成点蚀坑,耐腐蚀

关键词： 超声-MIG   电弧增材   熔池   数值模拟   图像处理  

摘要： 熔化极惰性气体保护焊(Melt Inert Gas Welding,简称MIG)具有成本低、生产效率高、可控性好等优势,成为电弧增材制造生产过程中常用的热源。超声-MIG电弧增材制造是一种很有发展前景的制造方法,通过在金属增材过程中引入超声波能量,可以显著改善构件的成形质量和性能。为深度理解超声-MIG电弧增材过程熔池的传热传质过程,本课题采用FLUENT流体仿真软件对超声-MIG电弧增材制造熔池的多物理场特性进行数值模拟,并对模拟结果进行分析研究,对进一步提升超声-MIG电弧增材质量具有重要的实际应用价值。 论文基于流体动力学、传热传质学以及电磁学等相关理论,结合熔滴与熔池的相互影响、电弧压力变化特性,构建了一个超声-MIG电弧增材制造三维瞬态熔池流动数值模型;分析常规MIG电弧增材制造和超声-MIG电弧增材制造熔池物理性能上的差异;采用控制变量法,探讨了增材制造中熔池温度场、压力场、流体特性及堆积层沉积特性。结果表明,超声的加入改善了堆积层的润湿性;超声附加力使得增材制造过程中熔池流速加快,熔池尾部产生后溢现象,熔池长度和深度增加,金属熔化区域增多。 为了验证数值模拟结果的可靠性,开展与数值模型同等参数下的电弧增材验证实验,并使用高速摄像机收集实验过程实时图像。根据采集的图像分析熔池动态变化过程,制作堆积层横截面样品,展开宏观形貌和微观组织分析,根据实验结论和模拟结果开展多角度对比。结果表明,不同电流参数(I=100 A、140 A、180 A)下,在添加超声后,电弧增材熔池内部的峰值温度增大,且超声对较小电流参数下熔池内部的峰值温度增幅更明显。超声-MIG电弧增材改善了堆积层宏观形貌,堆积层熔宽、熔深增加,高度减小,堆积层润湿性得到改善,同时超声的加入使堆积层熔池中晶粒细化,增强了堆积层的机械性能。文中数值模拟结果与实验结果能良好吻合。

关键词： CMT电弧增材   AZ31镁合金   ANSYS-WORKBENCH   动态热源   温度场与应力场  

摘要： 目前,航天航空、船舶汽车等现代化高端装备制造业快速发展,镁及镁合金等绿色、轻量化材料已成为发展的主流,然而,传统工艺流程繁琐,材料利用率低,无法适应未来行业发展的需要。增材制造加工是行业新工艺和新技术,其研发已经成为国内外学者的研究热点,冷金属过渡电弧增材制造(Cold Metal Transfer-Wire Arc Additive Manufacturing,CMT-WAAM)方法具有低热输入、低飞溅,工件成形质量优异等特点,近年来受到市场的广泛关注。本文采用有限元数值模拟方法,对电弧增材制造过程进行数值模拟,优化工艺参数,对其结果进行预测,以减少残余应力对工件的影响,为高性能镁合金的制备提供参考,以期更简便、高效、科学的将电弧增材制造技术应用于工业生产实践中。 (1)采用ANSYS-WORKBENCH有限元模拟软件,以AZ31镁合金结构件为研究对象,模拟了CMT电弧增材过程中的温度场及残余应力场的变化规律。结合实测不同特征点的温度,优化高斯热源模型,建立了AZ31镁合金CMT电弧增材数值模型,并且运用单元生死技术考虑电弧增材过程,模拟结果与实际温度场变化规律吻合。利用求解优化之后的高斯热源方程,模拟了送丝速度分别为9m/min、10m/min、11m/min和12m/min的WAAM温度场变化规律.本文模拟得到的CMT电弧增材的温度场数值结果与热电偶实测温度变化趋势基本一致,温度偏差度10%以内,符合仿真模型偏差的可接受范围,证实了动态高斯仿真模型的合理性和有效性。模拟数据表明,CMT电弧增材制造温度场分布与有效加热半径有关,并且动态热源有限半径增大,增材制造的温度场最大值明显增大,当送丝速度为11m/min时,热源半径3mm增大到3.8mm时,基板插入探针的温度下降10℃。温度场计算结果和实测数据产生偏差的原因是:外推法以及Jmat-Pro软件模拟计算结果与实测值自身存在一定误差。因此,本文设计的高斯动态热源模型能够比较准确的模拟CMT增材制造过程中温度场以及应力场的变化规率。 (2)在不同送丝速度条件下WAAM温度场及应力场模拟结果表明,随着送丝速度不断增大,热量输入也不断增加,残余应力则越大,当送丝速度为12 m/min时,增材件最大等效应力值可达41.2 MPa,且残余应力分布主要集中在沉积层及沉积层与基板交界处。 (3)在不同层间冷却时间30s、60s以及90s的条件下,对单道多层WAAM温度场及应力场模拟结果表明,“Z”字形沉积方式可以增加增材件成形性,随着层间冷却时间增加,成形件的热累积量呈降低趋势。且电弧增材制造的残余应力分布范围更小,整体应力积累值更低;随着冷却时间增加,增材件的最大等效应力值分别为199 MPa、84 MPa和79MPa.结合纵向应力及横向应力分布图分析,当层间冷却时间为60s时,为最佳打印的参数值。

关键词： 电弧增材制造   TC4钛合金   等轴晶转变   热处理   超细α相  

摘要： 钛合金作为一种极为重要的战略储备金属,具有较高的比强度、较低的密度、良好的耐蚀性和优秀的生物相容性等诸多优点,应用十分广泛。CMT电弧增材制造作为一种低热输入,高沉积率的增材制造方法,具有成形精度高,无飞溅等优点,适用于钛合金的增材制造。但由于增材制造中多次热循环,钛合金组织不可避免的形成接近沿温度梯度方向生长的柱状晶组织,同时α相表现得较为粗大,这严重削弱了钛合金在工况中的力学性能,并产生较强的各向异性。本文选用TC4钛合金作为研究材料,通过周期性改变增材过程中的工艺参数,设计后热处理方案,定向调控微观组织与性能,分析组织演变机理,解决CMT电弧增材制造后构件性能差,各向异性严重的问题。研究内容与结果如下: （1）优化单道单层的工艺参数时,采用不同的焊接速度、送丝速度与电弧模式进行搭配,分析了焊缝横截面的外观、尺寸以及宏观微观的组织分布,为后续的实验奠定理论基础。结果表明:CMT模式下焊接速度25-35 cm·min-1,送丝速度为5.5-7.0 m·min-1;CMT+P模式下焊接速度20-30 cm·min-1,送丝速度5.0-6.0 m·min-1的工艺参数范围可以满足增材制造需求。在不同工艺参数下,焊缝截面宏观组织从基板向顶部均呈等轴晶→柱状晶→等轴晶的分布;微观组织在不同工艺参数下主要为网篮状组织,魏氏组织等。 （2）不同的工艺参数下,焊缝截面组织中重熔深度以及等轴晶转变区（CET）高度均不同。通过合理交替搭配使用不同的工艺参数,可以将等轴晶保留下来。之后在晶体的竞争生长过程中可以中断柱状晶的外延生长。钛合金宏观组织呈柱状晶→等轴晶→柱状晶周期性交替分布趋势,降低晶体织构强度并优化构件的力学性能和各向异性。 （3）设计了一种三级热处理方案,使样品中典型的网篮状组织转变为由板条状α,片层状α、球化α和超细α共同构成的多形态α相结构。虽然没有细化晶粒,但由于超细α相的弥散化析出起到了强化作用,在保持优秀的各向异性基础上,获得了较好的综合性能。

关键词： 轻质形状记忆合金   电弧增材制造   电化学腐蚀   形状记忆效应   Ti-V-Al合金  

摘要： Ti-V-Al形状记忆合金因密度较低且加工性能好,而被广泛研究,但该合金记忆效应不足,热循环稳定性不好的缺点影响了其进一步的应用,这些缺点可以通过添加Zr元素进行改善。目前对于Ti-V-Al形状记忆合金的加工工艺还停留在传统的减材制造上,无法满足航空航天和海洋工程等领域所需要的复杂构件的制造需求。因此我们采用电弧增材制造(Ti-14.4V-9.7Al)-xZr(x=2,4,6)(at.%)轻质高温形状记忆合金,系统研究该合金的组织及性能。 研究发现,x=2时合金中的相组成为α'马氏体相、α〞马氏体相以及少量β相,x=4和x=6时合金由α〞马氏体相和少量β相组成,随着Zr含量的增加,母相含量增加,合金的马氏体逆转变温度随着Zr的增加而降低,且在同一合金不同区域,合金的马氏体逆转变温度变化不同,这与Zr的含量及合金内应力有关。随着Zr含量的增加,合金的热循环稳定性有所提高,x=4和x=6时合金在第二次循环后,依然存在马氏体逆转变峰。 随着Zr含量的增加,(Ti-14.4V-9.7Al)-xZr(at.%)合金的抗拉强度逐渐降低,延伸率先升高后降低。且同一合金不同区域的力学性能也有差异,在x=4时合金顶层区域的抗拉强度最高,达到997MPa,在x=6时合金顶层区域的延伸率最好,达到15%。当x=6时合金的形状记忆效应最为优异,在3.4%预应变下,完全恢复,在预应变为3.8%时,中间层和底层完全恢复。Ti-V-Al-Zr形状记忆合金的耐腐蚀性在Ti-14.2V-9.5Al-4Zr(at.%)时最好。 目前对于电弧增材制造Ti-V-Al形状记忆合金的研究较少,并且为解决TiV-Al合金记忆效应不好和热循环稳定性较差等缺点,我们添加第四元素Zr来提高合金的力学性能和形状记忆效应,Zr元素的添加进一步改善了Ti-V-Al形状记忆合金的热循环稳定性,并且其耐腐蚀性的研究也为以后的记忆合金腐蚀领域提供了参考。

关键词： 铜合金/不锈钢   激光-电弧复合增材   双送丝   微观组织   力学性能  

摘要： 近年来在高压输电、热交换器、航天发动机等领域中,要求部分关键零件的不位置在具备不同的性能(导热性,导电性,高强度等)。例如航天发动机喷管,其内衬和外壳分别需要具备良好的导热性和力学性能。因此采用导热性能优异的Cu-Cr-Zr合金和力学性能良好的316L不锈钢的多材料喷管可以较好的适应极端工况。在上述两种材料结合界面处采用梯度过渡的方式进行连接可以缓解成分、性能的突变,降低应力和提升可靠性。现有喷管制造通常采用铣削和焊接的方式加工出低温燃料的流动通道,其过程复杂、成本高、效率低。增材制造(激光增材、电弧增材)是一种新兴的先进制造方法,可以克服由构件的复杂结构造成的加工困难,同时具备生产成本低、效率高的优点,是未来航天发动机喷管制造的理想工艺。激光增材技术中,熔池的快冷快热会导致较高的残余应力,进而产生缺陷;而电弧增材技术中,由于过量的热输入导致构件微观组织粗大,进而影响力学性能。为解决上述问题,本研究提出了双送丝激光-电弧复合增材制造工艺,通过激光和电弧的相互作用,改善原有工艺中样件组织粗大、缺陷多、力学性能差的问题。实现Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢梯度材料薄壁构件的增材制造,研究内容与结论如下: (1)自行设计了双送丝夹具,搭建了双送丝激光电弧复合增材实验平台。通过单道单层实验从九种复合材料中筛选出了三种无裂纹的复合材料,探索了复合材料成形的合理工艺参数,并以此参数制备了三种复合材料单道多层薄壁结构。 (2)研究了不同比例Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢复合材料在激光电弧复合工艺条件下的微观组织、晶粒形态、物相变化、元素分布特点,分析了复合材料的抗拉强度、显微硬度,确立了材料成分-微观组织-力学性能的影响机制。结果表明30%316L复合材料样件中晶粒尺寸减小80%以上,抗拉强度较Cu-Cr-Zr合金提高22%。不锈钢加入引起的各项强化作用是性能提高的原因。 (3)以Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢复合材料制备工艺为基础,进行了Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢直接过渡和梯度过渡薄壁样件的制备,确定了梯度过渡形式为:100%CuCr-Zr-90%Cu-Cr-Zr/10%316L-80%Cu-Cr-Zr/20%316L-70%Cu-Cr-Zr/30%316L-100%316L,并成形出宏观形貌良好、无裂纹、性能良好的梯度结构件。对比分析了两种过渡方式的样件在沉积方向上微观组织演变和力学性能的变化规律。结果表明梯度样件有更大范围的等轴晶区,直接过渡和梯度过渡样件的抗拉强度分别为:212.7±5.0MPa、227.6±1.3MPa,梯度样件的显微硬度沿沉积方向过渡更加平滑。

关键词： 电弧增材制造   不锈钢   焊道尺寸   成形工艺  

摘要： 电弧增材制造(WAAM)是以电弧为热源熔化金属丝材进行逐层堆积成形的一种增材制造工艺,相比激光及电子束为热源的增材制造技术,具有熔敷效率高、成本低、零件尺寸范围大等优点,适用于尺寸较大的金属结构件的快速成形。但由于其较大的热输入及电弧的不稳定性,导致成形精度低、成形效果较差。为改善电弧增材制造成形精度,本文采用φ1.2mm的316L不锈钢焊丝进行电弧增材制造,研究了恒流和脉冲电流两种模式下工艺参数对焊道尺寸的影响,并针对焊道转角、交叉焊道及倾斜薄壁等影响成形精度的几种情况进行了工艺优化。 恒流模式下,研究了成形电流、成形速度、初始温度、线能量对焊道熔宽及余高的影响。成形电流增大时,焊道熔宽增加,余高减小;成形速度增加时,焊道熔宽和余高都减小;初始温度提高,焊道熔宽增加,余高减小,初始温度140～150℃时焊道成形效果较好;线能量在一定范围内增加时,焊道熔宽和余高都增加,但线能量过大,由于熔池过热导致塌陷,余高反而降低。对于φ1.2mm的316L不锈钢焊丝,基板初始温度为140～150℃,成形电流为150A、成形速度为4mm/s时,焊道成形良好,适合进行电弧增材制造。 脉冲电流模式下,采用四因素四水平正交实验研究了成形电流、成形速度、占空比、脉冲频率对焊道熔宽和余高的影响,并建立了熔宽和余高的回归方程,能够较好地预测焊道尺寸。按照影响程度由大到小,工艺参数对熔宽的影响顺序为:成形速度>脉冲频率>占空比>成形电流,对余高的影响顺序为:成形速度>成形电流>占空比>脉冲频率。对于φ1.2mm的316L不锈钢焊丝,脉冲电流模式下成形良好的工艺参数为:成形电流140A,成形速度3mm/s,占空比80%,脉冲频率3Hz。 随着焊道夹角减小,焊道转角处重复堆积长度增大,转角处焊道余高增加。通过在重复堆积长度范围内提高成形速度能够降低余高,改善转角处成形质量。对于T型交叉焊道的成形,相比纵向焊道在横向焊道中心起弧的工艺,采用纵向焊道在横向焊道中心熄弧的工艺时,交叉位置的成形质量更好,交叉位置余高偏差更小。为提高十字型交叉焊道成形质量,可采用两种工艺,一是纵向焊道分段成形,对向施焊,在横向焊道中心熄弧;二是纵向焊道连续成形,在交叉区域提高成形速度,对于上述优化的脉冲电流模式工艺参数成形的焊道,交叉处成形速度为4mm/s时,交叉位置成形较好,余高偏差小。单道多层倾斜薄壁件成形时,焊枪倾斜角度影响倾斜薄壁件成形质量,当焊枪倾角与薄壁倾角相同时,即焊枪在倾斜薄壁所在平面内时,成形效果最好。 设计了方形截面和带隔板的三角形截面两种倾斜薄壁零件,采用优化的脉冲电流成形工艺进行电弧增材制造,成形件成形良好,不同位置硬度均匀。