关键词： AZ31镁合金   电弧增材制造   温度场、流场数值模拟   力学性能  

摘要： 镁合金是一种储量丰富的轻金属材料,具有密度小、比强度及比刚度高、电磁屏蔽性优良、减震性好等优点,其应用于结构件有助于减轻质量、节约成本,在碳中和大背景下实现绿色发展,在航空航天、汽车制造等领域具有极大的发展潜力。但是,镁活泼的化学性质、室温下较差的塑性变形能力和较高的生产成本制约了镁合金在一些领域和行业的大批量工程化应用。 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是近年来快速发展的制造技术,其制造灵活性高、沉积效率高、零件力学性能良好、制造成本低、安全性好,能适应镁合金结构件制造的需求,已经成为镁合金结构件快速成形工艺。然而,由于电弧增材制造熔融金属层层堆积的成形原理,缺少约束的沉积层易出现塌陷、焊瘤等缺陷,这已经成为镁合金电弧增材制造的卡脖子技术问题。本文以AZ31镁合金丝材为原材料,通过电弧增材试验和数值模拟相结合的方式,对镁合金电弧增材过程进行了研究。以电弧增材试验为基础建立数值模型,对比分析电弧增材过程中温度场;改变堆积方式和层间冷却时间进行实验和数值计算,研究温度场与微观组织和力学性能的变化规律;建立电弧增材制造熔池流场模型,分析熔池中金属液的流动行为。主要结论如下: (1)对于单层沉积而言,起弧端一侧温度较低,随着电弧持续加热,熔池温度升高并在1380℃上下波动。在单道多层沉积过程中,一定层高内基板对沉积层的散热有重要影响,随着层数增加,基板对散热的影响逐渐减小,熔池温度升高并在一定层数后趋向1572℃,此时沉积层达到热平衡; (2)对于单向堆积过程,由于热量在收弧侧的大量积累,单道壁高度自起弧端到收弧端不断降低,并在收弧端出现严重塌陷;对于往复堆积方式,由于电弧往复加热,热量在单道壁中分布均匀,单道壁中央位置高度均匀,仅在两侧出现略微降低。因此,使用往复堆积方式能获得形貌尺寸良好的零件; (3)在一定范围内,延长层间冷却时间可以有效降低下层沉积的初始温度和沉积过程的峰值温度,降低沉积层中的热积累。WAAM-AZ31镁合金组织为全等轴晶,由α-Mg基体、β-Mg17Al12和Al8Mn5相组成,第二相以细小的颗粒状均匀分布于α-Mg基体中。随层间冷却时间延长,沉积层的晶粒细化,材料的硬度和拉伸性能均得到提升。在90 s层间冷却时间下,WAAM-AZ31镁合金的拉伸性能最佳,水平方向和竖直方向的抗拉强度分别为252.8 MPa和247.1 MPa,伸长率分别为24.9%和19.9%; (4)表面张力对金属液流动的影响最大,其次为电弧压力、电磁力和浮力。在综合考虑上述力的作用后,熔池中金属液形成两个环流:表面张力驱动的靠近熔池表面的环流,在表面流动方向为由中心向边缘,而在表面下方则由边缘向中心;表面张力和电弧压力、电磁力驱动的环流靠近熔池底部,其流动方向为由熔池中心向底部,沿液相线回到熔池表面附近,并在熔池表面附近回到熔池中心。

关键词： TC4/Inconel718异种金属连接   电弧增材制造   双丝复合焊   熔滴过渡   界面组织   强韧化机制  

摘要： 随着航空工业的飞速发展,发动机推重比成为了航空发动机设计和制造的重要指标。伴随推重比持续提高,发动机内部的工作温度与压力不断提高,导致许多部位的钛合金构件不能满足高温下的性能要求,镍基合金高温性能更优,但大量使用会显著增重,降低推重比。因此,若将钛合金与镍基合金连接形成异种金属连接结构,将能够兼顾高温下的工作性能与轻量化,提高推重比,在航空领域具有广阔的应用空间。然而,由于钛合金与镍基合金物理性能差异较大且主要元素间冶金相容性差,大幅增加了两种材料连接的难度。因此,开发高效高质量的钛/镍异种金属连接技术具有重要的理论意义与应用价值。 本文提出了一种用于TC4/Inconel 718异种金属连接的组合连接方法,连接方法包括增材制造打底焊与双丝复合焊,能够高质量的实现TC4与Inconel 718的连接;采用OM、XRD、SEM、EDS等设备对复合接头各个界面的微观组织、元素分布、物相组成进行分析;采用拉伸试验机和显微硬度计对接头力学性能进行了测试。研究结果表明: (1)设计了TC4/V/Cu/Inconel 718与TC4/(V、Nb)/Cu/Inconel 718两种复合接头结构。设计与制备了V01钒基焊丝与Nb01铌基焊丝,并优选S214铝青铜焊丝共同用于TC4与Inconel 718组合连接,组合焊丝具有良好的焊接性,能满足焊接工艺需求,满足分区复合焊缝对成分、组织和性能的要求。 (2)增材制造打底焊过程采用单丝CMT技术,首先使用V01焊丝在TC4端面增材制造V隔离层,之后使用S214焊丝进行打底焊连接,打底焊连接时焊丝向V隔离层一侧偏移0.5 mm,垂直于焊接方向上焊丝倾斜20°,指向V隔离层。获得的打底焊分区焊缝成形良好,内部质量优良。焊缝内部各界面结合良好,分区明显,Cu/V隔离层起到良好的隔离效果,在焊接接头中不存在金属间化合物。焊接过程具有良好的稳定性,熔滴过渡周期性良好。 (3)双丝复合焊采用双丝CMT技术。双丝复合焊时采用较大的双丝横向间距会导致形成的两道隔离层分离,结合差;采用较小的双丝横向间距会导致形成的双隔离层混合严重,隔离效果差。两焊丝的空间位置排布采用两焊丝横向间距为4.5 mm,纵向间距为17.4 mm;在垂直于焊接方向上,S214焊丝倾斜10°指向Inconel 718坡口侧壁,V01或Nb01焊丝倾斜6°指向TC4坡口侧壁。双丝复合焊焊缝成形良好,内部质量优良,焊接过程中前方熔体处于合适的温度下与后方熔体耦合,两隔离层之间及隔离层与母材间结合良好,焊缝内部分区良好,双隔离层起到良好的隔离效果,能够避免复合接头中产生脆性金属间化合物。双丝复合焊焊接过程稳定,两电弧交替燃烧,互不干扰。 (4)Cu/V双隔离层的TC4/Inconel 718异种金属复合接头打底焊分区焊缝与双丝复合焊焊缝各界面物相组成相同,在接头不同界面位置元素主要以固溶体的形式存在,Ti/V界面物相组成为α-Ti+β-Ti+V(s,s)+(β-Ti,V)。Cu/V界面物相组成为Cu(s,s)+V(s,s)+Fe(s,s)+Cr(s,s),Ni/Cu界面物相组成为Ni(s,s)+Cu(s,s)+Fe(s,s)+Cr(s,s)。分布在复合接头Cu焊缝上的球状铁基固溶体和铬基固溶体和打底焊Cu/V界面附近的球状钒基固溶体颗粒起弥散强化作用,能够阻碍位错运动,有利于焊缝强度提高。复合接头中隔离层对母材元素的隔离作用明显,避免了焊缝中产生脆性金属间化合物。复合接头各区域内显微硬度稳定,无突变现象。接头室温抗拉强度为405 MPa,伸长率为3.05%。打底焊分区焊缝与双丝复合焊焊缝均断裂在Cu焊缝上,且均为韧性断裂。双丝复合焊焊缝断面位置韧窝尺寸更大,塑性更好。 (5)Cu/(V、Nb)双隔离层的TC4/Inconel 718异种金属复合接头中元素主要以固溶体的形式存在,打底焊分区焊缝Ti/V、Cu/V、Ni/Cu界面的物相组成分别为α-Ti+β-Ti+V(s,s)+(β-Ti,V)、Cu(s,s)+V(s,s)+Fe(s,s)+Cr(s,s)、Ni(s,s)+Cu(s,s)+Fe(s,s)+Cr(s,s)。在打底焊Cu焊缝上分布的球状铁基固溶体、铬基固溶体和Cu/V界面附近的钒基固溶体作为强化相,能够提高焊缝强度。双丝复合焊焊缝Ti/Nb、Cu/Nb、Ni/Cu界面物相分别为(β-Ti,Nb)+Nb(s,s)+α-Ti+β-Ti、Cu(s,s)+Nb(s,s)、Ni(s,s)+Cu(s,s)+Fe(s,s)+Cr(s,s)。复合接头Cu焊缝上分布的球状铁基固溶体和铬基固溶体与分布在双丝复合焊Nb/Cu界面附近的棒状铌基固溶体作为硬质颗粒分布在基体上,能够提高焊缝强度。在复合接头中无脆性金属间化合物产生,隔离层起到良好的隔离效果

关键词： 电弧熔丝增材制造   低合金高强钢   组织演变   力学性能  

摘要： 研究采用电弧熔丝增材制造技术,制备了CHW-90C钢的薄壁构件。并对其单层沉积层内、薄壁构件整体组织演变以及力学性能进行了系统的试验研究。结果表明单层沉积层内组织可以分为凝固区和热影响区,热影响区可分为正火区和回火区,凝固区的组织主要由块状铁素体组成,而回火区与正火区热影响区组织则是以针状铁素体为主。回火区由于动态再结晶和碳化物的析出,相比于正火区晶粒得到了进一步的细化。薄壁构件的整体组织自下而上较为不均匀,底部为细小的针状铁素体和少量的马氏体,中部为粗大的块状铁素体,顶层为块状铁素体与针状铁素体的混合组织。除此之外,试样整体力学性能存在各向异性,其中水平方向试样的抗拉强度高于垂直方向,达到了1060 MPa,垂直方向试样的冲击韧性高于水平方向,达到了226.6 J。

关键词： 电弧增材制造   均匀化热处理   GH4169合金   影响  

摘要： 采用电弧增材制造工艺成形GH4169合金,研究了不同均匀化工艺条件对沉积态GH4169合金微观组织的影响。研究结果显示:当均匀化热处理温度为1 120℃时,随着保温时间的延长,沉积态柱状晶逐渐转变为等轴晶,平均晶粒尺寸呈逐渐长大趋势,Laves相体积分数逐渐减小,在保温90 min后,平均晶粒尺寸长大至178.9μm, Laves相完全溶解;当均匀化热处理保温时间为1 h时,随着热处理温度的升高,晶粒平均尺寸逐渐长大,Laves相体积分数逐渐减小,在热处理温度为1 200℃时,Laves相体积分数降低至0.64%,平均晶粒尺寸长大至170.35μm,此时沉积态柱状晶已完全转化为等轴晶。最终确定均匀化热处理参数为:热处理温度1 120℃,保温时间90 min。

关键词： Al-Mg-Si合金   电弧增材制造   微观组织   力学性能  

摘要： 探索一元脉冲MIG电弧增材制造Al-Mg-Si合金构件成形的工艺参数,并对成形件不同区域的微观组织及力学性能开展研究。结果表明:当在焊接速度为50cm/min的条件下,焊接电流为140A时,可获得良好焊道,且成形形貌最优;组织形貌有分层现象,层间组织以较为粗大的柱状晶为主,层内组织以细小等轴晶和柱状晶为主;层间区域存在相对更多气孔缺陷和较粗大的柱状晶,硬度值波动更明显,且硬度普遍低于层内区域;水平方向的抗拉强度高于沉积方向,断后伸长率分别为8%和5%~9%;两个方向拉伸断口皆以韧窝为主,属于韧性断裂。

关键词： 电弧增材制造   热-弹-塑性模型   残余应力   铝合金  

摘要： 构建2319铝合金电弧增材制造热-弹-塑性有限元模型(FEM),计算成形过程瞬态温度场和熔合线附近温度梯度,分析工艺参数对熔池温度场的影响。研究不同工艺参数下熔池温度场分布规律,结果表明,温度梯度随电流的增加和基板移动速度的减小而增加。在温度场计算的基础上,利用热-弹-塑性有限元模型研究电弧增材过程残余应力的演化和分布规律。单道沉积情况下基板上纵向应力为压应力,沉积层内为拉应力,且纵向应力在数值上与等效应力接近,最大应力出现在沉积层中间部分。研究工艺参数对沉积层应力的影响规律,结果表明,提高基板移动速度可以降低沉积层内部的等效应力和纵向应力,而增大电流则会使沉积层内的等效应力和纵向应力增大。结合温度场结果可知,熔池内温度梯度与残余应力的大小呈正相关关系。