关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡加脉冲(CMT+P)   AZ31镁合金   微观组织   力学性能  

摘要： 镁合金具有密度低、比强度高、导热性能好等特性,在航空航天、生物医学、交通运输等领域得到广泛应用。电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）具有成形效率较高、成本低廉等优点,已成为增材制造大型镁合金零部件的重要方向。冷金属过渡加脉冲（Cold Metal Transfer+Pluse,CMT+P）电弧增材制造技术由于热输入较低和无飞溅特性,能有效避免镁合金在增材制造过程中氧化、烧损等问题。本课题以CMT+P电弧增材AZ31镁合金组织及力学性能开展研究,研究成形过程熔滴过渡方式,然后对单道多层薄壁组织演变规律及力学性能进行探索,进而建立工艺参数-显微组织-力学性能之间的映射关系,并探究多道多层AZ31镁合金组织及力学性能。具体研究内容及主要结论如下: （1）CMT+P工艺成形AZ31镁合金薄壁组织及力学性能研究。首先结合典型工艺制备AZ31镁合金薄壁,对镁合金薄壁宏观形貌、组织结构和力学性能研究。研究表明,试样微观组织在多次热循环下形成三种不同晶粒尺寸区域,分为沉积区、重熔区和热影响区。试样微观组织均由α-Mg、η-Al8Mn5和β-Mg17Al12组成,随着沉积高度的增加,不同区域晶粒尺寸逐渐增大,力学性能逐渐降低。 （2）工艺优化CMT+P电弧增材AZ31镁合金薄壁组织及力学性能。通过控制变量法,探究沉积电流、沉积速度和层间冷却时间对AZ31镁合金薄壁成形质量、微观组织和力学性能的影响规律。研究表明,随着沉积电流和层间冷却时间增加,平均层高和层宽均增大;随着沉积速度增加,平均层高和层宽均减小。不同工艺参数影响共晶组织形态和拉伸性能,沉积电流为125 A,沉积速度为6 mm/s,层间停留时间为3 min中,成形薄壁件拉伸性能最好。 （3）CMT+P电弧增材多道多层AZ31镁合金组织及力学性能研究。基于第四章的工艺规律,探究多道多层试样微观组织和力学性能的演变规律。研究表明,底部和中部晶粒组织较为细小,顶部晶粒组织较为粗大。随着沉积高度的增加,层间热影响区晶粒组织由等轴晶向柱状晶转变,显微硬度和抗拉强度均呈下降趋势。

关键词： CMT-P复合电弧增材   GH4169   微观组织   耐磨性  

摘要： 商用航空发动机的研发与自主维修是“支撑民航强国”的重大战略需求。镍基合金发动机叶片作为航空发动机的关键部件,长期处于高压气流冲击、高速旋转等极端恶劣环境,极易出现磨损、断裂等损伤行为,严重降低民航发动机的使用效率和服役寿命,因此,亟需开发镍基合金叶片增材修复再制造技术。目前,采用传统热源技术进行GH4169镍基合金增材制造或修复,无法减少柱状晶粗化以及有害二次相析出导致的低耐磨性等问题。冷金属过渡与脉冲(Cold metal transfer and pulse,CMT-P)复合电弧增材技术结合了CMT电弧热输入低、熔滴过渡稳定以及脉冲电弧能量集中、熔深大的优点,在高端精密部件的规模化电弧增材中具有广阔的应用前景。 本文采用CMT-P复合电弧增材制造技术制备镍基合金单道多层薄壁件,提出了基于变形量、成形精度和飞溅量的薄壁件成形质量评价指标,研究了送丝速度、焊接速度和脉冲数量对成形质量的影响规律,并据此完成了工艺参数的优化。基于满意度方程和综合质量评价函数,得到的最优工艺参数组合为:送丝速度3.5m/min、焊接速度5.8mm/s、脉冲数量30。 在最优工艺参数组合的基础上,利用ANSYS有限元分析软件,建立了CMT-P复合电弧增材制造镍基合金薄壁件的仿真模型,研究增材件内部温度的演变历程。结果表明,增材件的下部沉积层则主要通过基板散热,上部沉积层通过已沉积层进行散热,使得下部沉积层达到析出相溶解温度,产生再加热效果。当脉冲数量增大时,留存在沉积层内部的热量增加,上部沉积层峰值温度大,增加了底部沉积层的再加热次数。 结合温度场仿真结果,研究了沉积层的晶粒尺度、析出相等微观组织。结果表明增材件的显微组织由下至上的演变规律是胞状晶-柱状枝晶-等轴晶。脉冲数量增加时,增材件第五沉积层的枝晶间距和Laves相体积分数都出现先下降后上升的趋势,当脉冲数量为10时,枝晶间距和Laves相体积分数均达到最小。针对增材件上、中、下区域的沉积层完成了耐磨性测试并据此揭示了CMT-P复合电弧增材件的耐磨机理。随着沉积层数增加,晶粒粗化程度升高,Laves相析出量加大,导致基体明显软化,耐磨性降低。基于增材件第五沉积层,深入研究了脉冲数量对耐磨性的影响。显微硬度随脉冲数量的增加呈现先上升后下降的趋势,当脉冲数量为10时显微硬度达到最高,平均摩擦系数和磨损率最小。加入脉冲阶段后,熔池振荡加剧,产生更多的形核点,达到细晶强化的效果,使得显微硬度明显上升,磨损率下降。表明了CMT-P复合电弧增材技术在提高镍基合金显微硬度,减小摩擦磨损的有效性。

关键词： 电弧熔丝增材制造   铝合金   孔隙   力学性能   各向异性  

摘要： 电弧熔丝增材制造技术(Wire arc additive manufacturing,WAAM)作为一种制造周期短、无需模具以及材料利用率高的革命性制造技术,是制备中大型合金构件最为重要的方法之一。Al-Cu系合金由于具有比强度高、重量轻、耐热性优异等特点,是电弧熔丝增材制造工艺中常用的铝合金之一。本文通过WAAM工艺制备Al-Cu合金构件,研究不同沉积速度、不同热处理工艺与TiC纳米粒子改性对增材制造Al-Cu合金构件微观组织与力学性能的影响,并获得综合力学性能卓越的Al-Cu合金增材构件,重点探讨沉积速度对合金显微组织及拉伸力学性能的影响;分析固溶处理对孔隙率和时效硬化效果的之间的关系,以及孔隙率对合金构件硬度、拉伸力学性能和疲劳性能的影响;并深入研究TiC纳米粒子改性对WAAM制备Al-Cu合金构件的孔隙率、力学性能和热稳定性的影响。得出以下主要结论: (1)较快沉积速度下制备的Al-Cu合金构件的晶粒更细,初生第二相的含量更低。固溶处理后试样的时效硬化响应明显快于直接时效处理的试样,峰值硬度更高。沉积态和T6热处理态合金的拉伸力学性能均表现出各向异性,且后者更为显著。各向异性的主要原因是样品层间孔隙度较高,且T6热处理态合金的层间孔隙更为明显。 (2)经530℃固溶热处理1 h后,可获得低孔隙率(2.4%)与较高峰值硬度(148.2 HV1)的Al-Cu合金;而较高的固溶温度会显著增加合金的孔隙率,延长固溶时间同样会导致孔隙率增加、微孔生长、形成微裂纹和孔洞等问题。孔隙率对合金构件疲劳性能的影响大于对拉伸力学性能的影响。拉伸试验结果表明,孔隙率对T6热处理合金强度的影响有限,且远小于析出相诱导的析出强化;疲劳裂纹扩展试验结果表明,孔隙率对T6热处理态合金的疲劳裂纹扩展行为起主导作用。 (3)添加TiC纳米粒子,使WAAM制备的Al-Cu合金的孔隙率与合金的性能得到了明显改善。Al-Cu合金经过高温固溶处理后,孔隙数量以及孔隙的尺寸大幅度增加,延长固溶时间会导致孔隙率进一步增加、微孔生长以及孔隙聚集形成空腔等问题;而AlCu/TiCnp合金经过固溶热处理以及延长固溶时间后孔隙的数量、尺寸以及孔隙率无明显变化。相比于Al-Cu/TiCnp合金,Al-Cu合金经过T6热处理后延伸率极大幅度降低,且拉伸性能各向异性显著。此外,TiC纳米颗粒的添加能够显著改善Al-Cu合金的热稳定性。

关键词： 非熔化极电弧增材   轨迹规划   纯镍成形工艺   视觉传感   沉积尺寸控制  

摘要： 钨极惰性气体保护电弧(Gas Tungsten Arc,GTA)增材制造(Additive Manufacturing,AM)作为电弧增材制造的一个工艺分支,增材过程稳定,能有效隔离杂质气体,弧长干扰因素少,适合纯镍的增材作业,也是理想的机器人化的焊接方法。目前自动化增材主要采用GMAW、CMT这种焊丝作为熔化极的增材方式,缺乏采用GTAW工艺的自动化增材及成形尺寸控制的研究。因此,本文以纯镍单道成形件为对象展开研究,旨在提高薄壁成形件的尺寸精度和表面成形质量,深入研究视觉监测负反馈和闭环控制,本文为纯镍电弧增材制造过程控制丰富了理论成果。 首先采用不同沉积参数进行单层沉积实验,获得多层沉积参数范围及沉积电流、送丝速度、沉积速度对多层堆垛成形的规律,沉积电流在140～180 A时,多层沉积容易在2、3层“塌陷”,110～130 A时比较适合纯镍的多层沉积。建立基于旋转组合方法的沉积工艺对应沉积尺寸的二次回归模型。预测尺寸值能够较好的对应真实值,对不同工艺参数的沉积层尺寸做出预测,指导模型切片。实验验证往复扫描路径能够弥补非封闭路径两端高度差问题,封闭路径起弧与熄弧处搭接5 mm时能够很好的避免高度差引起的裂隙。 成形参数范围确定的基础上,实验分析比较不同工艺参数组合对表面成形质量的影响。送丝沉积速度比恒定时,电流增大,表面粗糙度升高;电流不变,送丝速度与沉积速度比值改变,沉积速度2 mm/s时,表面粗糙度最低;沉积速度不变,电流与送丝速度升高时,表面粗糙度随之升高;只有层间温度升高时,表面粗糙度随之升高。纯镍增材时的热影响区金属过热时间过长使热裂纹的形成倾向增加,因此,基于有限元分析建立层间温度与冷却时间关系预测模型,实验证明模拟结果与实验结果符合。 对于沉积物宽度的反馈,通过设计视觉监测传感系统,将高度检测和宽度检测结合,利用高斯滤波、Laplacian算子边缘检测、Hough变换等的图像处理算法进行拟合,从而实时获取沉积金属尺寸数据,为后续闭环控制过程提供反馈数据。 采用阶跃响应实验建立工艺参数与沉积尺寸模型,通过MATLAB系统辨识得到系统参数,从而分析模型在时域空间的特点,针对模型非线性的,响应滞后的特点,设计PSD单神经元控制器输出沉积速度,对沉积宽度实行闭环控制,利用仿真实验以及控制实验检验其性能,同时采用宏观调控与自适应调节控制钨极到沉积层距离,实现沉积层宽度与高度方向的闭环控制,应用闭环控制对15层切片模型加工,沉积宽度误差不超0.4mm。

关键词： 薄壁结构   异质金属   增材制造   电弧喷涂  

摘要： 薄壁结构具有重量轻、节约材料、结构紧凑等优点,在航空航天、船舶和汽车等领域得到了广泛应用。但是由于薄壁结构件形状和尺寸较为复杂,给加工过程带来了很多困难,比如加工过程中存在的弹性回弹、装夹变形、车削热变形等问题,严重影响了薄壁结构件成形的精度和质量。同时为了进一步提高薄壁结构件的轻量化程度,将铝等轻量化材料或两种异质金属材料同时应用在薄壁结构件上同样成为一个目前研究的重要课题,这些轻质材料的应用也给成形和连接技术带来了新的要求。 本文基于电弧喷涂技术提出了全新的薄壁结构件成形方法,同时根据该成形方法提出了两种不同的钢/铝异质金属结构成形思路。研究确定了Fe、Cu、Al三种单质金属的成形参数,并对三种单质薄壁结构件热处理后进行拉伸压缩力学测试和硬度测试。另外对分层和混合两种钢/铝异质金属薄壁结构件也进行了热处理,随后对其进行了拉伸压缩力学测试、显微组织观察和硬度测试。 首先根据正交试验设计评价三道次薄壁表面形貌,确定三种单质金属的成形喷涂气压、喷涂电流、喷枪移动速度。拉伸试验表明,回火处理后的四种冷却方式中,水冷对Fe抗拉强度提升最大,空冷对Cu拉伸性能提升最显著,炉冷对Al抗拉强度提高效果最为明显。同时从三种单质金属的压缩过程可以看出,Fe试样出现斜纹裂口和断裂脆响,表现出明显的脆性,Cu、Al试样在压缩过程出现了鼓形,说明其具有更好的韧性。在压缩试验中,水冷对Fe抗压强度的提升是最大的,达到了1000 MPa以上;四种不同冷却处理的试样对于Cu压缩试样的抗压强度的提升相差无几,都提升至450 MPa左右;炉冷对Al压缩试样的抗压强度的提升是最大的,从150 MPa提升到225 MPa。随后对Al试样616℃烧结处理,烧结处理的Al薄壁结构件相比回火处理拉伸性能和抗压强度都有大幅提升。回火处理降低了Fe、Cu试样的硬度,对Al试样硬度有所增强。 600℃热处理显著提升了两种异质金属成形沉积件的抗拉强度,同时随着热处理时间的增加,分层试样延伸率出现下降趋势,混合试样延伸率有所提升。分层试样的抗拉强度高于混合试样,但是混合试样的延伸率要更高。在压缩失效过程中,分层试样由于其成形特点表现出分层脱离的现象。经过热处理分层试样的抗压强度大幅提高,最高达到450 MPa以上,混合试样的抗压强度随热处理时间增加有所降低。通过分析微观组织形貌可知,分层试样在热处理过程中产生的异质金属中间化合物较少,钢/铝金属之间实现了良好的扩散结合,提高了层间金属的结合强度。

关键词： 电弧增材制造   有限元法   成形路径   残余应力   变形  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种先进的金属增材制造技术,具有制造成形快速、制造环境简单、适用多种熔丝材料、制造成本低、易成形大尺寸零件等优势。然而,高热量的输入和复杂路径长时间的遍历,这可能导致成形件产生较大的残余应力与变形,影响成形件的质量。本文探讨了WAAM过程中,在不同成形路径下块体与薄壁件的温度场、应力场和变形的演变规律。通过红外相机、小孔法和激光轮廓扫描仪分别验证预测的温度、应力和变形,并作了相应的分析与总结。 首先,通过有限元方法建立块体的有限元模型,采用体生热率作为电弧增材过程中的热源模型,设计了五种不同的沉积路径,对不同成形路径下的温度场、应力场和变形进行了详细分析,总结不同路径下制造块体残余应力与变形的规律,发现在增材的前几层,块体沉积路径或热输入顺序对于温度历史、残余应力和变形产生显著影响。然而,随着沉积高度的增加,不同块体沉积路径对构件残余应力与变形的影响逐渐减小;交替路径下进行沉积会导致不均匀的应力分布;在Zigzag S路径下沉积的基板具有最小变形值。 其次,设计三种不同的分区域路径,通过有限元方法建立薄壁件的有限元模型,进行分区域的增材制造有限元仿真模拟。发现在增材的前几层中,温度历史、残余应力和变形的影响规律与块体具有一致性。然而,分区域路径下可以有效减小X和Y方向在拐角位置的应力集中现象;短焊道拐角的位置会出现较大的变形;起弧的位置对变形的影响较大;在对称式的分区域路径下沉积的基板具有最小变形值。 最后,总结了在不同成形路径下块体与薄壁件应力与变形的分布规律,为选择大尺寸复杂构件增材制造的成形路径提供了参考。

关键词： CMT   温度场   应力场   熔滴过渡   稀土镁合金  

摘要： Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金因其具有高比强度,高耐热性以及良好的加工性能等特点广泛应用于航空航天、汽车制造、3C电子产品等领域。然而使用传统的方法制造镁合金零件,如铸造和轧制难以成形复杂的零件结构。因此近年来冷金属过渡焊(Cold Metal Transfer,CMT)增材制造镁合金逐渐成为研究的热点,可以实现复杂结构金属构件的快速成形。本论文以Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金为研究对象,针对解决Mg-Gd-Y-ZnZr合金成形过程中产生宏观气孔以及应力开裂的问题,进行了有限元模拟与实验研究,通过模拟与实验结合系统研究了不同工艺参数对于成形件熔滴过渡、缺陷以及残余应力的影响,以及不同工艺条件下成形件各层微观组织和各项性能。最后通过模拟指导实验进行降低成形件缺陷。主要研究内容和结果如下: (1)研究了工艺参数对于CMT成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金熔滴过渡行为的影响以及熔池内部流场以及气孔逃逸的影响。熔池内的流场受多种因素影响,包括Marangoni效应、表面张力以及液态金属桥的断裂造成的冲击。送丝速度的变化对焊道尺寸有显著影响,送丝速度越高焊道尺寸越大。9 m/min的送丝速度导致熔池内部流速和搅动最为剧烈这是回落的液桥冲击熔池导致的。研究发现熔池温度上升可以减少液桥的表面张力从而降低断裂的液桥对熔池的冲击。此外随着送丝速度的提高,气泡可以更容易从熔池中逃逸。最终,通过与实验数据对比,验证了模型的准确性。 (2)研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金CMT成形过程中温度场分布以及熔池尺寸和液相寿命的变化。对于不同层材料的微观组织进行了表征并进行了性能测试。同时研究了工艺参数对材料微观组织的影响。随着成形层数的增加,初始温度从第一层的22℃增加至第十层的365.25℃,熔池宽度由第一层的10.1mm明显扩大至第十层的11.5mm,熔池深度由第一层的5.4mm明显扩大至第十层的8.1mm,熔池长度由第一层的6mm明显扩大至第十层的18mm。熔池宽深比从1.87下降至1.41。热累积的增加导致熔池尺寸的增加,在热累积程度不再变化后,熔池尺寸将不再变化。细晶区液相寿命从0.02s增加至1.46s,650℃时冷却速率从2295℃/s降低至51℃/s,粗晶区液相寿命从0.18s增加至2.26s,650℃时冷却速率从1395℃/s降低至36.5℃/s。实验发现,当层间冷却时间大于400s时,零件成形不会产生塌陷。同时各层晶界处形成了大量的强化相可以显著改善成形件各层的硬度、抗压性能。 (3)研究了工艺参数对于CMT成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金成形件残余应力、内部组织以及力学性能的影响。结果表明残余应力主要集中在增材区域的外壁面上以及增材区域中心。成形件高度方向的应力分量为残余应力的主要组成部分。应力最大位置在第一层。成形高度越高成形件各层外壁面残余应力越大。通过模拟发现,送丝速度越大,残余应力越大。焊接速度越低,残余应力越大。残余应力最低的工艺参数是送丝速度8m/min,焊接速度8mm/s。成形件各层织构较弱,晶粒无明显取向。第一层的位错密度最大,硬度与压缩性能最好。

关键词： CA-FE模拟   钛合金   电弧增材制造   元胞自动机   凝固组织  

摘要： 钛合金具有比强度高、耐高温及抗腐蚀性好等特性,在航空航天、海洋工程及化学工业等领域中得到了广泛应用。考虑到其导热性差、变形抗力大及加工窗口窄等特性使得传统的钛合金制备技术面临材料利用率低、成本高,且难以制造复杂结构件等诸多困难。近年来,金属增材制造技术以其独特的工艺灵活性和效率优势,为制造复杂钛合金构件提供了一种新途径。然而,由于增材制造技术制备的钛合金构件残余应力和变形较大,甚至在增材过程中发生开裂,此外微观组织上呈现出与基板接近垂直的粗大原始β晶粒外延生长、魏氏组织和α'马氏体组织等典型特征,导致增材制造钛合金在力学性能上存在明显的各向异性。在电弧增材制造过程中引入层间辊压可以提升对合金中残余应力和微观组织的控制能力。然而,由于导致β晶粒外延生长的机制仍未被完全认识,且残余应力形成过程和分布规律尚不清楚,因此研究钛合金电弧增材过程的组织演化过程,以及应力和变形的形成机理对增材工艺优化调控具有重要意义。本文针对以上问题,以Ti-6Al-4V合金电弧增材为研究对象,利用自主开发的宏-微观耦合计算模型对宏观的残余应力与变形控制,到微观β晶粒外延生长组织演化等方面进行了多尺度模拟。主要研究内容和结论如下: (1)针对电弧增材制造过程建立了元胞-有限元耦合的CA-FE模型,详细介绍了该模型的建立过程、晶体生长动力学原理以及边界条件设置。将该CA-FE模型计算结果与实验结果和经典的KGT模型进行了对比,证明本研究开发的CA-FE模型具有较高的准确性和可靠性。 (2)利用开发的CA-FE模型分析了增材过程温度场特征及热循环过程对组织的影响。在该模型基础上研究了层间辊压电弧增材过程中轧辊压下量、轧辊与电弧距离、热源扫描速率以及多辊辊压等工艺参数对沉积金属残余应力和变形的影响规律。研究结果表明:轧辊与沉积金属接触处为非均匀变形,在圆弧形沉积层顶部变形量最大。随着轧辊压下量的增大,等效塑性应变显著增大,当轧辊压下量从0 mm增加至0.844 mm时,等效塑性应变最大值从0增大至0.89,在逐层辊压后沉积金属内部塑性变形量大于侧面。采用层间辊压可降低沉积金属的纵向拉应力,且随着轧辊压下量增加,顶部的纵向压应力变大。增加轧辊压下量或增大电弧与轧辊间的距离有利于降低基板和沉积金属的翘曲变形,并使纵向正应力下降。热源扫描速率从5 mm/s增至15 mm/s时,沉积金属顶部压应力增大,翘曲变形量也增大。随着轧辊接近电弧,其辊压温度升高,轧辊对沉积金属的冷却作用增强。采用三辊辊压比单辊时基板翘曲变形更小。 (3)通过CA-FE方法模拟了熔池内复杂温度场条件下的多晶竞争生长。模拟发现该合金枝晶形貌与过冷度有关,在5 K过冷度时,枝晶生长以一次晶轴为主,二次晶不发达,枝晶内成分较为均匀;过冷度增加至15 K时,二次和三次晶轴变得发达,晶粒形貌由十字形发展为近正方形,但枝晶尖端成分与平衡态成分偏离变大。 (4)对Ti-6Al-4V合金电弧增材过程从宏观和微观层面进行了组织演化模拟,研究了β柱状晶粒外延生长机制。将熔池的凝固区分成熔池底部、熔池中后部和熔池尾部三个微区,研究这三个区域内温度场与等温线形状对枝晶生长取向的影响。研究表明β柱状晶生长与熔池形状和液相等温线形状有关。熔池尾部温度梯度较小,枝晶生长速率快。熔池中下部温度梯度较大,枝晶生长速率次之,熔池底部正温度梯度最大,枝晶生长速率最慢。通过三维枝晶模拟分析了晶粒生长形态和竞争生长过程,在15 K过冷条件下,二次枝晶臂发达,晶粒呈现正八面体形状。此外还研究了升温速率对基板原始组织与元素偏析的影响,结果表明增加升温速率可以提高合金在加热到固溶温度过程中的力学性能。 (5)在沉积金属水平面和侧面两个位置,研究了热源单向和往复扫描路径对组织的影响。从水平面单向扫描的凝固组织来看,熔池扫过的基板表面形成了垂直于熔池尾部边界生长的柱状原始β晶粒,其晶粒形貌沿熔池中心线对称分布。同时水平方向凝固组织中β柱状晶形状和生长方向与扫描速率有关,扫描速率越大,晶粒与中心线夹角越小。当各扫描道次之间有一定的重叠时,经单方向多次扫描后,最终凝固组织取向趋于一致。水平面往复扫描时,后续道次的熔池将前一道次形成的凝固组织部分重熔,并形成了新的凝固组织。新β晶粒的生长方向与前一道次重熔前的β晶粒发生了改变,形成了类似于“Z”字形的柱状晶。沉积体高度方向单向扫描时,形成的β柱状晶方向与基板平面呈一定倾斜角度,而采用往复扫描时,其β柱状晶垂直于基板表面外延生长。 (6)CA-FE模型计算结果表明,熔池尾部形状对凝固组织有重要影响。熔池尾部长度与熔池半宽之比增大时,熔池尾部曲率变大,尾部边界变得平直,β柱状晶弯曲程度变小,熔池尾部凝固区变长,使取向不利生长速率较慢的杂晶被淘汰,两侧晶向处于温度场有利方向的晶粒在竞争生长中胜出。在

关键词： STT-MIG   电弧熔丝增材制造   AZ41M镁合金   显微组织   力学性能  

摘要： 镁合金具有质量轻、比强度高、比刚度高、吸震和电磁屏蔽性能良好、生物相容性好等优点,被广泛应用于汽车、电子、航空航天和医学医疗等领域。传统镁合金加工方法（铸造成型、锻压成型）对于多孔性、复杂腔体构件的成型困难,且成型效率较低,成型工艺流程较为复杂,大大限制了镁合金的广泛应用。与铸造、锻压等传统构件成型方法不同,增材制造（Additive Manufacturing）技术设计自由度高、成型效率高,材料利用率高,可快速成型大型、复杂的零部件。但由于镁合金化学性质活泼,与氧亲和力强,熔沸点较低、蒸气压高等特点,镁合金增材制造技术的研究和应用发展相对滞后。目前镁合金增材制造技术主要包括激光增材制造技术（laser Additive Manufacturing）、搅拌摩擦增材制造（Friction Stir Additive Manufacturing）技术和电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing）技术。电弧增材制造技术（WAAM）设备简单且灵活性较高、成型效率较高、制造成本相对较低、加工尺寸不受限制,可实现各角度沉积,适用于大型、复杂构件的快速制造。其中,MIG-WAAM技术制造成本低,成型效率高,在成型大型复杂构件方面具有优势。STT-MIG通过控制瞬时电弧电流,精准控制电弧能量,利用表面张力的作用达到熔滴的平稳过渡,可以使热输入减小,同时减少挠曲变形和飞溅,成形质量较好。研究镁合金STT-MIG电弧熔丝增材具有重要意义。 本课题拟采用STT-MIG电弧熔丝增材成型AZ41M镁合金,研究主要工艺参数对单道熔覆层成形、结合性及熔滴过渡行为的影响;对STT-MIG电弧熔丝增材成型AZ41M镁合金直壁的宏观成形、显微组织特征及物相组成进行了分析;并对AZ41M镁合金直壁的拉伸力学性能及其断裂机制进行了分析。主要研究结果如下: （1）研究了主要工艺参数（焊接电流、焊接速率）对单道熔覆层成形、结合性及熔滴过渡行为的影响。在I=100 A,U=18 V,v=60 cm/min,E=1.44 k J/cm工艺参数下,STT-MIG制备的AZ41M镁合金单道熔覆层成形良好,熔覆层与基板结合性良好,熔滴过渡过程稳定。 （2）对STT-MIG电弧熔丝增材成型AZ41M镁合金直壁的宏观成形、显微组织分布特征及物相组成进行了分析。AZ41M镁合金直壁整体高度、宽度均匀,两侧无明显塌陷;各层之间结合良好,层高相近,分层清晰明显,未发现明显的裂纹、气孔等缺陷。直壁顶部、中部、底部呈现出不同的显微组织分布。构件底部形成了宽约50μm的柱状晶区,平均晶粒尺寸约为18.54μm;中部区域呈等轴晶分布,且细晶区和粗晶区交替分布,细晶区平均晶粒直径约为14.84μm,粗晶区平均晶粒直径约为44.47μm;顶部区域呈树枝状晶分布,平均晶粒直径约为8.2μm。底部柱状晶区主要以小角度晶界分布为主;中部区域层内细晶区、层间粗晶区和顶部区域均以大角度晶界分布为主。底部区域和顶部区域沿（0001）[11-20]滑移系Y轴和Z轴的“硬取向”晶粒占比均大于“软取向”晶粒,塑性较差;在Y轴与Z轴方向上,中部区域粗晶区“软取向”晶粒占比均大于细晶区,粗晶区相较于细晶区更容易使滑移开动而发生塑性变形。顶部区域和中部区域均未形成明显的晶粒取向,而底部区域柱状晶区呈现较强的X方向<0001>纤维织构;冷却凝固后的AZ41M镁合金直壁应存在α-Mg、β-Mg17Al12和Al4Mn三相。 （3）对AZ41M镁合金直壁进行了力学性能测试并进行了断裂分析。AZ41M镁合金直壁拉伸性能不存在明显的各向异性。横向拉伸试样平均抗拉强度和延伸率分别为224.33 MPa和13.07%,平均屈服强度为97.67 MPa。纵向拉伸试样平均抗拉强度和延伸率分别为227 MPa和13.0%,平均屈服强度为100.5 MPa。STT-MIG电弧熔丝增材成型的AZ41M镁合金直壁力学性能优于铸造镁合金,略低于挤压态AZ41M镁合金。横向、纵向拉伸试样形成的断口均以粗糙的纤维区为主,断裂面存在大量椭圆形韧窝,呈典型的塑性断裂特征。