关键词： 电弧增材制造   304不锈钢   316L不锈钢   层间温度   机器学习  

摘要： 电弧增材制造技术是一种先进的材料制造技术,结合了传统焊接工艺与现代增材制造理念,具有沉积效率高、材料利用率高、成本低、生产周期短等优点,适用于大型金属结构的快速制造。本文以304与316L不锈钢焊丝为原材料,研究了不同材料与不同层间温度对电弧增材直壁件的显微组织与性能差异,使用机器学习分析层间温度、层数对电弧增材直壁件耐腐蚀性能的影响。 首先,研究了相同工艺下304与316L不锈钢直壁件的显微组织与性能。结果表明,316L不锈钢直壁件的最大抗拉强度为559 MPa,最大延伸率为10.09%。304不锈钢直壁件的最大抗拉强度为311 MPa,最大延伸率为15.32%。316L不锈钢直壁件的电荷转移电阻Rct为0.277 MΩ·cm2。304不锈钢直壁件的电荷转移电阻Rct为0.042 MΩ·cm2。与304不锈钢直壁件相比,316L不锈钢直壁件的表面成形质量较差,但其力学性能、耐腐蚀性能较为优异。 其次,研究了150℃与250℃层间温度下316L不锈钢直壁件的显微组织与性能。研究发现,150℃下直壁件的最大抗拉强度为559 MPa,最大延伸率为10.09%,250℃下直壁件的最大抗拉强度为513 MPa,最大延伸率为10.79%。150℃下直壁件的电荷转移电阻Rct为0.277 MΩ·cm2。250℃下直壁件的电荷转移电阻Rct为0.064 MΩ·cm2。层间温度的升高可以减小316L不锈钢直壁件横向纵向的力学性能差异,但会降低316L不锈钢直壁件的表面成形质量与耐腐蚀性能。 最后,通过机器学习算法分析316L不锈钢直壁件层间温度、层数对耐腐蚀性能的影响。使用网格搜索和交叉验证技术进行参数优化,并通过四种指标对四种模型的预测结果进行性能评估。结果表明,SVM算法在预测自腐蚀电流密度和自腐蚀电位方面均表现最佳,其次是ANN算法。对层数、位置与层间温度对耐腐蚀性能影响的特征重要性进行分析,发现层间温度是最重要的影响因素。

关键词： Al-Mg合金   增材制造   纵向磁场   微观组织   力学性能  

摘要： 丝材电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)具有沉积速率高、成分均匀、生产周期短等优点,广泛应用于航空航天和汽车船舶领域。然而应用此技术制造的铝合金构件存在成形精度差、气孔缺陷多及力学性能各向异性等问题,严重限制了铝合金WAAM的应用。如何通过优化WAAM沉积工艺来改善试件的成形质量与力学性能是当前重要的研究课题。 本文以Al-Mg合金ER5356焊丝为丝材,利用外加纵向磁场辅助CMT-WAAM的方式,以期优化铝合金CMT-WAAM沉积试件的成形质量,改善其微观组织和力学性能。以磁场的励磁电流和频率参数为变量的前提下,通过原位高速摄像、微米CT、EBSD和SEM等手段分别研究外加纵向直流磁场和纵向交流磁场对AlMg合金CMT-WAAM沉积试件电弧行为、成形质量、微观组织和力学性能的影响规律以及磁场的作用机制。 研究结果表明,采用外加纵向直流磁场辅助CMT-WAAM时,在一定的磁场参数下,电弧偏离焊丝轴线并膨胀,试件的性能改善。励磁电流为2 A时,试件表面驼峰消失,纵向截面笔直且沉积层均匀分布;气孔减少,晶粒尺寸减小了18.91%;硬度提升了11.28%,最大抗拉强度达到230.67 MPa。励磁电流为3 A时,沉积试件性能下降,此时磁场参数不适用于铝合金的CMT-WAAM工艺。采用纵向交流磁场辅助CMT-WAAM时,沉积试件性能改善。在励磁电流5 A,磁场频率200 Hz时沉积试件综合性能最优,成形精度提高;气孔率由0.372%降为0.016%,晶粒尺寸降低21.75%;硬度提升15.73%,水平方向最大抗拉强度提高到260.00MPa,垂直方向上的最大抗拉强度提高到257.70 MPa,力学性能趋于各向同性。磁场通过洛伦兹力影响电弧行为和熔池的流动,影响熔融金属的凝固过程,从而提高沉积试件的成形精度、减少气孔率和提高力学性能。纵向直流磁场中励磁电流的改变对沉积试件的影响较大,作用效果不稳定。纵向交流磁场作用效果更稳定,更显著,这对于铝合金CMT-WAAM工艺的完善和改进具有重要的参考意义。

关键词： 高强铝合金   增材制造   工艺优化   凝固组织   相场法   溶质偏析  

摘要： 2024高强铝合金有着低密度、高强度等优点,在航空器结构件上有着广泛的应用。增材制造技术具有高自由度设计、一体化智能成形等优点,能够满足航空器结构件制造的低成本、短周期需求,为民用航空高强铝合金结构件的制造开辟了新的途径。然而采用传统的单一热源(激光或电弧)增材制造2024高强铝合金存在成形精度低、气孔率高等成形质量较差的问题。为解决单一热源下增材制造过程中存在的问题,本文以2024高强铝合金为研究对象,引入激光与CMT-P电弧复合增材制造技术进行薄壁结构增材制造实验,以期为高强铝合金激光-电弧复合增材制造成形件的成形质量控制及组织演变机制研究等方面提供科学依据与理论支撑。本文主要研究内容和结论如下: (1)采用单因素实验结合响应面中心组合实验,以成形质量(包括成形精度、飞溅程度、气孔率)作为评价标准,对送丝速度、扫描速度和激光功率等工艺参数进行优化。综合考虑成形精度、飞溅程度和气孔率,得到的最佳工艺参数范围为:送丝速度为4.2-4.3 m/min,扫描速度为15-17 mm/s,激光功率约为2000 W,在此范围内的预测结果为成形精度为84-85%,飞溅程度为1.0-1.2%,气孔率为0.7-0.9%。 (2)在工艺参数优化的基础上,通过先进的组织表征手段研究了不同区域晶粒的形貌、尺度和织构取向。增材试样单层不同区域可划分为激光区和电弧区。其中,激光区主要由细小的等轴晶粒组成,无明显织构特征,平均晶粒尺寸为14.8μm;电弧区主要分为熔池区和热影响区,晶粒主要为柱状晶粒,在{100}晶面存在明显的织构特征,平均晶粒尺寸为32.3μm。同时,晶粒的主要生长机制为外延生长和竞争生长。 (3)基于工艺参数优化和先进的组织表征,采用宏观传热模型和定量相场模型多尺度耦合的方法研究等轴晶和柱状晶粒的生长机制。各向异性和初始形核数量都会对晶粒的形貌产生影响;熔合线处柱状晶的生长包括线性生长阶段、界面失稳阶段、竞争生长阶段和稳定生长阶段。在晶粒生长过程中,溶质会不断在固液界面前沿富集。相邻晶粒之间会产生严重的溶质偏析现象。

关键词： 电弧增材制造   Inconel 718   DP-TIG   熔池振荡   微观组织  

摘要： 航空航天高性能构件由于其极端严苛的使用环境,对材料高温下的承载性、抗辐射性、可靠性提出了一定的要求,为了满足以上特殊要求,开发了镍基高温合金。其中Inconel 718合金不仅在高温环境下具备一定的抗氧化和腐蚀能力,而且还有较高的高温强度、蠕变强度和持久强度,以及良好的抗疲劳性能。为应对高复杂性航空航天组件快速、高效以及大批量生产的要求,对Inconel 718合金的增材制造(Additive Manufacturing,AM)进行研究是有必要的。 传统增材热源存在熔池非平衡凝固,其中,熔池沿各个方向温度梯度和凝固速率差异过大会导致组织和性能各向异性。对于Inconel 718镍基高温合金而言,更会造成Nb、Mo等元素的偏析、Laves相以及MX相过量生成等问题,严重阻碍了Inconel 718合金增材制造在工业生产中的应用。因此,本文采用一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(Double-Pulse-TIG,DP-TIG)方法对Inconel 718合金进行了增材制造。主要研究了高频脉冲频率和振幅对熔池凝固参数、宏观形貌、显微组织、力学性能的影响。 首先,针对传统高斯热源普遍存在的熔池非平衡凝固问题导致的熔池横向温度梯度过大以及凝固速率较小的问题,研究了高频脉冲参数频率及振幅对熔池振荡行为及凝固参数的影响。通过实验发现增大高频脉冲频率和振幅都在不影响熔滴过渡稳定性的同时加剧了熔池振荡行为,其中,高频脉冲频率的增加增大了电弧对熔池作用力,促进了熔池对流,减小了熔池温度梯度的同时增大了凝固速率,熔池的凝固参数G×R和G/R减小,组织具有向等轴晶转化的趋势。 其次,通过各种手段表征了沉积件微观组织,研究结果表明,从底层到顶层,组织形态由树枝晶、胞状晶向等轴晶转化。沉积层以γ-Ni为基体相,枝晶间分布有Laves相和MX相。高频脉冲频率增大促进了液态金属对流,改善了组织偏析,有减小枝晶间距和枝晶间Laves相的作用。高频脉冲频率和振幅的增加都有一定细化晶粒的作用,其中,高频脉冲频率的增加减弱了组织的各向异性,沉积件的塑韧性得到增强;高频脉冲振幅的增加增强了组织的各向异性。 最后,进行了沉积件拉伸和硬度试验,结果表明:随着高频脉冲增加,抗拉强度和延伸率都得到了提高,拉伸性能的各向异性减弱,韧窝的分布更均匀,说明对沉积件的强度和塑性有改善,沉积件硬度减小,说明Laves相含量减小;随着高频脉冲振幅的增大,沉积件性能各向异性增强,韧窝的尺寸变大且分布不均匀,说明对沉积件的强度和塑性影响不大。

关键词： IN625合金   电弧增材制造   显微组织   热处理   高温氧化  

摘要： IN625合金以其优异的综合性能在航空航天、能源和石油化工等领域得到了广泛应用。传统加工方式制造IN625合金时存在材料利用率低、气孔和个性化程度低等问题。电弧增材制造技术（WAAM）作为一种经济且高效的金属零件制造方法,对IN625合金的制造具有重要意义。然而,WAAM在制造过程中也存在一些挑战,如易产生粗大柱状晶、后热处理工艺复杂且可选范围窄等问题。研究表明,稀土氧化物能够细化高温合金的显微组织,进而提高高温合金的机械性能、抗氧化性能以及高温稳定性。为此,本文提出将稀土氧化物（La2O3）加入WAAM IN625合金中,以进一步提升其机械和抗高温氧化性能。 首先,通过深入探究WAAM IN625-La2O3高温合金的组织结构、析出相特性、晶粒形态以及力学性能。两种合金均以柱状晶作为其主要晶粒形态,并沿着构建方向垂直生长。La2O3的加入显著改变了IN625合金的显微组织特征,合金的一次枝晶间距从14.95μm细化至12.25μm。同时观察到纳米级析出相La2Ti2O7的存在,这有助于进一步增强合金的强度,并对改善合金的高温性能起到积极作用。 其次,在650℃、750℃和850℃下,分别对IN625和IN625-La2O3合金进行10h、25h和50h的时效热处理。经过时效热处理后,这两种合金的显微组织均以柱状晶为主。在相同的热处理条件下,IN625-La2O3合金相较于IN625合金,析出的相数量显著增多。同时,650℃时效热处理后,两种合金均析出具有DO22结构的γ''相;在750℃时,合金中主要析出δ相,并伴随有M6C型和M23C6型碳化物的出现;当温度升高至850℃时,合金内几乎仅存在δ相。此外,在650℃、750℃和850℃下,IN625-La2O3合金的强度均显著优于IN625合金,但其塑性相对较低。 最后,系统研究了La2O3对IN625合金在800-1100℃下高温氧化150h后显微组织及高温性能的影响。在800℃和900℃的高温氧化条件下,两种合金均展现出良好的抗氧化性,从氧化动力曲线可以看出,La2O3颗粒的加入减小了IN625合金的氧化速率kp。当温度升至1000℃时,两种合金均出现明显的氧化皮剥落现象,氧化程度显著加剧,但IN625-La2O3合金的剥落相对于IN625明显更少。综合来看La2O3加入显著提高了IN625合金的氧化活化能,降低了合金的氧化速率,极大地提高了合金的抗氧化能力。

关键词： 5356铝合金   CMT+P电弧增材   熔滴过渡行为   微观组织   力学性能   电化学耐腐蚀性  

摘要： Al-Mg合金材料具有低密度、高强度、优塑性、良好的耐腐蚀性,常用以制造轻质航海结构件。冷金属过渡焊(CMT)是电弧增材(WAAM)领域中一种利用焊丝持续性收缩、周期性短路的低热输入、无飞溅的焊接方法,具有自由成形、成形效率高、无材料损耗等优点,适合制造铝合金零件。但是,单一的CMT技术因为热输入过低,使得堆叠的焊道结合不够紧密,影响其堆叠方向的力学性能。通过提高送丝速度或者在CMT短路周期中插入脉冲电流(CMT+P技术)都可以提高焊机热输入,进而增强焊道间结合强度。目前,通过提高送丝速度来提升焊接热输入,进而改善焊道间结合强度的报道较为丰富,但是通过调整脉冲数量来调控热输入的报道更多的是对单层焊道性能的研究,直接成形完整工件的技术成熟度不够高。基于此,本文针对目前的调整脉冲数量方式对完整成形工件研究较少的问题本文选取了3组送丝速度和5组脉冲数量作为变量参数进行电弧增材正交实验,旨在研究送丝速度和脉冲数量对5356铝合金CMT+P电弧增材熔滴过渡行为及成形性能的影响机制。具体研究内容如下: (1)5356铝合金CMT+P电弧增材熔池温度及熔滴过渡行为研究。利用红外成像仪对15组工艺的单层焊接过程进行实时监测,发现送丝速度和脉冲数量增加都会使得熔池温度升高。送丝速度增加会使得短路过程和脉冲过程熔滴尺寸增大;脉冲数量增加会使得脉冲过程熔滴尺寸减小,短路过程熔滴尺寸基本不变。 (2)CMT+P电弧增材5356铝合金宏观形貌及微观组织分析。脉冲数量为0的3组工艺无法完成增材任务,余下12组工艺随着脉冲数量增加,成形工件的外形更矮、更宽。随着送丝速度增加,成形工件形状影响呈非线性,送丝速度7 m/min下成形工件最细长。脉冲数量增加会使得试样内部晶粒变粗大;送丝速度增加对试样内部的影响呈非线性,送丝速度为6m/min时晶粒最小。 (3)CMT+P电弧增材成形5356铝合金力学性能及电化学性能研究。CMT+P电弧增材成形试样横向拉伸性能明显优于纵向,横向抗拉强度平均能达310MPa以上。纵向拉伸性能随着脉冲数量的增加先上升后下降,脉冲数量为8和12时表现优异;纵向拉伸性能与送丝速度关系呈非线性,送丝速度为8m/min最优。对于电化学耐腐蚀性而言,脉冲数量增多或送丝速度增加都会使得成形试样的耐腐蚀性降低。

关键词： 倾斜基板   增材制造   成形尺寸   数学模型   受力分析  

摘要： 在工艺制造中常常会遇到斜壁等大型复杂不规则结构件,这类工件往往体积过大不易拆卸且表面为非水平面。在这类复杂曲面上进行增材制造时会受到多因素影响,需要先进行倾斜基板电弧增材制造工艺研究。相比于平面增材制造,基板倾斜会使得熔池受到自身重力影响发生偏移,甚至流淌,导致堆积体形貌发生变化,成形困难。因此为了改善倾斜基板下堆积体成形,本文开展了倾斜基板铝合金电弧增材制造工艺及组织性能研究。主要工作如下: 通过控制变量法探究了焊接电流、焊接速度、焊枪高度三个关键工艺参数对倾斜45°基板下制造的单道单层堆积体成形形貌和横截面尺寸的影响规律,并利用SPSS软件建立数学模型,对各参数进行优化,以期获得倾斜基板电弧熔丝增材制造成形规律和良好的成形工艺窗口。发现焊接电流对层宽和峰值偏移量的影响最大;随着焊接速度的增加,层高、层宽和峰值偏移量均减小;焊枪高度对堆积体形貌影响较小,但对峰值偏移量影响较大。确定焊接电流为140 A、焊接速度为400 mm/min、焊枪高度为11 mm时参数耦合程度高,堆积体形貌较好。 通过基板倾斜角度下电弧熔丝增材制造电弧形貌及熔池行为研究,发现随基板倾角的增大,电弧形貌和熔池行为不对称度加大,受重力和电弧力的作用增强,熔池沿倾斜表面向下流动趋势加强,导致发生局部凸起和流淌。 研究了基板倾角和沉积路径对单道多层堆积体宏观形貌和尺寸的关系,随着基板倾角的增大,堆积体成形越困难,层宽和峰值偏移量均增大,当基板倾角达到45°时,堆积体侧壁发生流淌;在基板倾斜45°下,改变沉积路径,堆积体形貌稳定性顺序依次是:下坡路径>平行往复路径>上坡路径沉积。 在平行往复路径下对熔池进行受力分析,通过改变焊枪倾角来维持熔池受力平衡,当基板倾角为45°时,焊枪倾角确定为60°时可以抑制堆积体不对称形貌。采用逐层降低电流,控制层间冷却时间,逐层确定焊枪偏移量的方式来对工艺进行优化,在倾斜45°基板上制造出成形良好,侧壁无流淌的单道25层增材结构。经力学性能分析后,堆积体顶部区域显微硬度最高,平均硬度为94.81 HV;中部区域显微硬度在80.2～90.2 HV之间波动。5083铝合金断裂形式为韧性断裂,塑性较好,横向平均抗拉强度为330 MPa,最大延伸率为16.67%,纵向平均抗拉强度为296 MPa,最大延伸率为15.11%,可以认为横向拉伸性能要优于纵向的拉伸性能。