关键词： 电弧增材制造   同步气冷辅助   镁合金   成形成性  

摘要： 基于冷金属过渡电弧的镁合金构件增材制造技术作为近年来的研究热点,具有广阔的应用和发展前景。但是,由于镁合金材料特殊的热敏感特性,其构件在电弧增材制造过程中因热积累效应易出现熔池流淌、组织软化和性能下降等问题。采用强制冷却的方式有助于降低制造过程的热积累程度,因此,本文针对镁合金电弧增材制造技术特点,在设计研制同步气体冷却系统装置的基础上,进一步探究了一种同步气冷辅助镁合金电弧增材制造新工艺及其应用效果。 设计开发了一种新型的同步气体冷却系统装置,并通过工艺实验验证了装置的实用性。该装置通过协同控制冷却气体的开通与关断,调节出气口的位姿参数和形状特征,具有冷却气体与电弧交互和不与电弧交互两种同步气冷功能,进而实现对焊接电弧热源形态和熔滴熔池冷却效果的有效调控。 开展了同步气冷不同模式和不同参数单道沉积实验,分别研究了气冷模式和气冷参数对单道沉积焊接性的影响。结果表明,当冷却气背向电弧时不会对熔滴过渡产生明显的影响;当冷却气面向电弧时,能够收缩电弧,提高峰值电压,增加熔滴过渡周期时间,降低热输入,对熔池具有明显的冷却效果,进而细化沉积层晶粒。此外,随着气口焊丝间距的增加,热输入逐渐提高,同步冷却效果逐渐减弱,沉积层晶粒尺寸逐渐增大;随着冷却气流量的增加,同步冷却效果具有明显的“拐点”,沉积层平均晶粒尺寸呈现先逐渐减小后逐渐增大的变化规律。 对比分析了薄壁构件增材制造有无同步气冷辅助的效果,研究表明,同步气冷辅助条件下,气流氧化和冷却作用虽然造成了构件成形表面一定的粗化,但是显著降低了沉积层的热输入和构件整体的热积累、增大了层间冷却温度梯度、改变了熔池凝固晶粒形成的模式、降低了柱状晶区域的占比、细化了沉积层晶粒。同步气冷辅助增材制造构件的横向和纵向抗拉强度分别提升了14.0%和11.4%,拉伸断口呈现典型的准解理断裂特点、具有更深的撕裂脊和韧窝特征。 综上,本文提出的一种同步气冷辅助镁合金电弧增材方法可以降低制造过程的热积累程度,为大尺寸镁合金电弧增材构件的性能改善与提升提供了新的解决思路。

关键词： 激光与CMT-P   增材制造   成形质量   微观组织   腐蚀性能  

摘要： 研发先进的绿色再制造装备,突破民用飞机部件再制造技术是国家重大战略需要。高强铝合金具有比强度高、热加工性能好等优点,被广泛用于制造机身蒙皮、主体结构件等。铝合金电弧增材制造技术能够应对大型化、整体化、轻量化的航空结构件的制造及深度维修需求,在航空维修领域中被广泛应用。然而铝合金电弧增材制造修复技术仍存在气孔率高,组织可控性差,易发生局部腐蚀等问题,进而恶化铝合金增材修复部件的耐腐蚀性能。本文以高强铝合金为研究对象,针对先进的激光与CMT-P电弧复合增材制造技术,深入研究了不同激光功率辅助CMT-P电弧复合增材成形件的成形质量、微观组织及耐腐蚀性能。本文主要研究内容如下: （1）研究了激光与CMT-P电弧复合增材成形件的成形质量。 增大激光功率会影响成形件的宏观形貌和气孔率。随激光功率增大,成形精度提升且气孔率降低,直到达到阈值。当激光功率为2500 W时成形精度较优,气孔率最低,且熔池由传导模式转为匙孔模式,提高增材效率的同时产生匙孔缺陷,形成大尺寸气孔。 （2）阐明了激光与CMT-P电弧复合增材试件微观组织特征及演变规律。 增材成形件每层形成3个独特的区域,包括热影响区、熔池区和熔池边界;随激光功率增大,激光对熔池的搅拌作用增强,晶粒逐渐细化,当激光功率为2500 W时,晶粒细化效果最好;随激光功率增大,晶粒由柱状晶向等轴晶转变,3个特征区最大织构指数相差逐渐减小。当激光功率增大至2500 W时,晶粒取向强度最低,晶粒取向呈各向同性分布;主要析出相为S相（Al2CuMg）,随激光功率增大,析出相比例先下降后上升,当激光功率为2500 W时,S相含量最低。 （3）揭示了激光与CMT-P电弧复合增材试件耐腐蚀性能的局部腐蚀竞争机理。 随激光功率增大,增材成形件的耐腐蚀性能呈现先提升后下降的趋势,当激光功率为2500 W时,耐腐蚀性能最优。当不引入激光及激光功率较小时,成形件的耐腐蚀性能主要受气孔影响,随激光功率进一步提升,耐腐蚀性能由微观组织主导,随激光功率增大,晶粒尺寸减小、晶粒取向减弱及S相析出逐渐减少,耐腐蚀性能显著提升。

关键词： 氩弧重熔   激光重熔   电弧增材制造   ER316L奥氏体不锈钢   表面质量  

摘要： 与传统的加工制造技术相比,电弧增材制造技术具有产品几何自由度高、生产成本低、生产效率高等特点,可以制备大尺寸复杂结构零部件,实现精准制造。电弧增材制造技术以电弧为热源,金属丝材为原料进行逐层沉积成形,在钢结构生产、船舶桥梁等相关行业都得到应用。但电弧增材制造成形件也存在成形质量不高,尺寸精度低等问题。 本文研究了重熔工艺对电弧增材成形件性能的影响。以Q235碳钢为基板,ER316L奥氏体不锈钢焊丝为原材料进行单道多层沉积成形,对成形件表面分别进行氩弧重熔及激光重熔工艺处理,分析研究重熔工艺对电弧增材成形件的表面质量及性能的影响。通过使用激光光谱共聚焦显微镜、金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、显微维氏硬度测试仪、智能检测磨损测试仪以及CHI660E电化学工作站等设备,探究氩弧重熔工艺(重熔电流、扫描速度)以及激光重熔工艺(激光功率、扫描速度)对成形件的宏观形貌、表面粗糙度、微观结构、显微硬度、耐摩擦磨损性能以及耐腐蚀性能的影响规律。 氩弧重熔工艺研究表明重熔后试样表面质量得到改善,表面沟壑减少,较大的波峰波谷基本消除。表面较为平滑,没有明显的不规则起伏,表面粗糙度得到有效降低。当重熔电流为90A,扫描速度为4mm/s时,重熔后试样表面成形质量最好。氩弧重熔试样内部组织主要是由重熔区、热影响区以及未重熔区组成。重熔区的晶粒尺寸得到细化,主要由分布均匀的等轴晶粒组成,热影响区主要为垂直于重熔线生长的柱状组织,未重熔区的晶粒组织粗大,以骨骼状为主。随着重熔电流以及扫描速度的变化,晶粒尺寸变化不明显。重熔处理后试样表层的显微硬度得到提高,抵抗塑性变形或者表面破坏的能力增强。摩擦磨损测试发现,试样的磨损表面均存在大量划痕、碎片剥落以及磨屑。平均质量损失为0.049 g,与沉积态的平均质量损失0.057 g相比,降低了16%,平均摩擦系数也下降了12.75%,均说明试样的耐磨损能力得到提高。重熔后试样表面具有更小的自腐蚀电流密度,耐蚀性提高。分析其原因是由于重熔后试样表面出现大量晶界以及位错,晶界密度增加,钝化膜的生成及修复速率提升,紧密度和稳定性得到有效改善,有利于金属耐蚀性的提高。 激光重熔工艺研究表明重熔后试样表面形貌得到有效改善。表面粗糙度减小,波峰与波谷之间的高度差降低,仅存在较为细小的金属颗粒,以及少量的凸起和凹坑。激光重熔扫描轨迹较为明显,表面呈现光滑状态。当激光功率采用1000 W以及1100 W,扫描速度采用8 mm/s、9 mm/s及10 mm/s时,重熔后试件的表面质量都得到改善,平整度较好,因此采用激光重熔改善成形件表面质量的工艺裕度较大,便于生产工艺的制定。激光重熔试样截面的微观组织与氩弧重熔试样截面的微观组织变化相似。重熔区存在分布均匀的等轴晶,晶粒得到细化,热影响区主要是以柱状组织为主。重熔后试样表层的显微硬度值升高,耐磨损性能也得到相应的改善。重熔后试样的耐蚀性能得到提高,分析其原因主要是由于重熔区组织晶粒得到细化,晶界密度增加,钝化膜的紧密度和稳定性得到有效提升。同时在激光重熔工艺较高的冷却速度下,δ相(高温铁素体)在重熔区内部组织中的含量占比增加,σ相(Fe-Cr金属间化合物)的含量占比减小,从而提高了材料的耐腐蚀能力。