关键词： 电弧增材制造   变层厚分层切片   成形缺陷   模具修复  

摘要： 在实际生产的过程中,应用电弧增材制造技术对失效模具进行修复时,会在边缘部位出现缺肉、凹陷、过堆积等成形不良的问题,从而导致熔覆层各处厚度不一、起伏较大,对实际的增材制造结果造成精度上的较大误差.为了减少上述缺陷,提出了一种变层厚分层切片算法,主要包括模型前处理、焊接参数的确定、对模型实际切片厚度的修正,并完成最终的增材制造过程.变层厚分层切片算法通过调节熔覆过程中的搭接率从而实现对成形件层厚变化的精准把握,提高成形精度的同时,还可以减少缺肉、凹陷、过堆积等缺陷.通过选取不同的模型对其进行变层厚分层切片以及对应的路径规划,验证了算法的适用性.最后,采用变层厚分层切片算法对棱台结构模型进行处理,并进行熔覆试验.结果表明,理论计算得到的填充路径可以对当前分层面实现完全填充,实际的熔覆高度和平面尺寸与理论计算值相差较小,在热积累较小的时候,成形精度可以达到工业要求.创新点:(1)相对于电弧增材制造技术中传统的等厚分层切片算法,提出了变层厚分层切片算法,能够实现在特定的焊接工艺参数下模型的计算层厚和实际熔覆层厚的相对误差保证在较小范围内.(2)解决了电弧增材制造技术在实际生产中因分层不合理导致的凹陷、过堆积等缺陷,提高了模型的成形精度.

关键词： 电弧增材制造   倾斜基面   非对称熔池   熔池行为   演变机制  

摘要： 电弧增材制造技术凭借其制造周期短、制造零件无尺寸限制等优点广泛应用于航空航天、武器装备等领域。而电弧增材制造技术实现复杂金属零件直接成形的基础是沉积过程中堆积焊道的形貌具有均匀稳定的重复再现性。但电弧增材制造是一个涉及电场、磁场等多物理场耦合的过程,当金属液滴的沉积行为发生在倾斜基面上,熔池在重力诱导下容易发生失稳流淌,造成非对称的焊道形貌,降低零件的成形精度。基于此,本文采用实验与仿真结合的方法开展电弧增材制造过程中非对称熔池的诱发机理与熔池形貌演变机理研究,探究倾斜基面上焊道形貌的成形规律。研究发现,随着基面倾角的增加,焊道偏移量逐渐增大(0、0.4549、1.9374、2.3319 mm),熔池深度逐渐减小(1.935、1.763、1.684、1.576 mm),成形焊道非对称程度逐渐增加;进一步基于实验及数值仿真的方式研究了沉积过程中非对称熔池形貌的演变规律,揭示了重力诱导下表层金属流体的不对称流动是导致焊道形貌恶化的诱因,为后续非对称焊道形貌抑制方法的研究及三维复杂金属构件的高质量成形提供指导。

关键词： 间隙填充模型   多层多道   成形质量   微观组织   力学性能  

摘要： 目的传统多道焊缝搭接模型存在沉积环境不对称、热量累积严重及最终成形质量差的问题,针对以上情况,提出了间隙填充模型,并研究了该模型对成形质量及组织性能的影响。方法以4043铝合金为填充材料,探究了沉积顺序、沉积方向、道间冷却时间及CMT电弧模式对搭接质量的影响。确定了多层多道沉积策略,分别基于间隙填充模型和传统搭接模型进行了长方体式试样的沉积,对比分析了所成形试样的成形质量、微观组织及力学性能。结果当送丝速度为5 m/min、焊接速度为0.6 m/min时,在CMT+P的电弧模式下,采用由内而外的沉积顺序、道间反向的沉积方向及无道间冷却时间的工艺组合所成形试样的搭接质量最佳,所沉积试样的表面不平度低于0.004 mm2。结论由间隙填充模型和传统搭接模型所成形试样的微观组织和力学性能并无明显差异,但基于间隙填充模型的沉积策略所成形的试样的成形质量更好。其顶部微观组织主要由柱状晶组成,底部微观组织以细小的等轴晶为主,中部的热影响区主要为粗大的柱状晶,且晶粒尺寸分布不均匀,而焊缝区主要由细小的等轴晶和柱状晶组成。

关键词： 电弧增材制造   脉冲电流强度   2219铝合金   氩弧焊  

摘要： 利用钨极氩弧焊(TIG)增材制造技术在无脉冲、弱脉冲和强脉冲交流电下制备2219铝合金,研究了脉冲电流强度对铝合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:无脉冲、弱脉冲及强脉冲TIG增材制造铝合金试样的显微组织一致,主要由基体相α(Al)与第二相θ(Al_(2)Cu)构成,堆积体中部区域均为等轴晶;相比无脉冲电流工艺,弱脉冲和强脉冲电流下制备的试样晶粒尺寸更小更均匀;无脉冲、弱脉冲及强脉冲TIG增材制造铝合金试样均表现为弱织构,最大密度仅为3.42,脉冲电流强度对晶粒取向无明显作用;经T6热处理后,相比于无脉冲电流工艺,强脉冲电流下制备的试样在扫描方向的抗拉强度降低,增材方向的抗拉强度提高,整体各向异性减轻。

关键词： 圆柱面点阵结构   电弧增材制造   自生Al_(2)O_(3)   铝合金粉芯丝材   工艺性能  

摘要： 基于Al和NiO的冶金反应设计了圆柱面点阵电弧增材制造自生Al_(2)O_(3)铝合金粉芯丝材,进行了热分析;制备了直径1.2 mm的自生Al_(2)O_(3)铝合金粉芯丝材,研究了其工艺性能,分析了自生Al_(2)O_(3)的尺寸、形貌,并测试了单元杆的热导率和强度;利用该粉芯丝材在直径157 mm的圆柱面上成形了两层金字塔点阵结构。结果表明:Al和NiO冶金反应的最大反应速率温度为1038.9℃,能够在电弧增材制造条件下可靠进行;粉芯中含1.5%NiO的铝合金粉芯丝材在电弧增材制造中电弧稳定、熔滴呈均匀小颗粒过渡、过程平稳、飞溅率小于0.74%。研发的粉芯丝材成形点阵单元杆表面粗糙度小于10.40μm,自生成了大量的密排六方α-Al_(2)O_(3),尺寸在50~300 nm之间,与铝基体的界面结合良好;单元杆的热导率为103.68 W/(m·K),平均抗拉强度达到了288 MPa;成形的圆柱面点阵单元杆直径误差在±0.1 mm以内,倾角误差在±0.9°以内,具有较高的精度。在隔热实验中点阵测试件上下表面的温差超过400℃,具有良好的隔热性能。点阵测试件的抗压强度约65 MPa,压缩性能较稳定。

关键词： 电弧增材制造   电子束   表面处理   铝镁合金   力学性能  

摘要： 采用电弧增材制造方法制备的Al-Mg合金,在微观结构和性能方面与传统制造方法制备的Al-Mg合金存在着一定差异。电子束表面处理被认为是当前最具价值的金属材料表面改性方法之一。研究合适的电子束能量密度用于Al-Mg合金的表面处理,对于改善Al-Mg合金的性能方面起着关键性的作用。因此,对电弧增材制造Al-Mg合金试样采取不同能量密度的电子束表面处理,并对其微观结构、缺陷的形成和力学性能进行研究。在电子束能量密度为15J/cm^(2)下,试样改性层的重熔层最厚。拉伸试验结果显示:由于弹性模量降低,Al-Mg合金试样的塑性随电子束能量密度的增加而呈先增大后减小的趋势。在经过不同的电子束表面处理后,试样的断裂形态有一定差异,在电子束能量密度为15J/cm^(2)下断口呈现出明显的分层结构。

关键词： 电弧增材制造   双相不锈钢ER2594   显微组织   力学性能   腐蚀性能  

摘要： 采用熔化极活性气体保护电弧焊(MAG)电弧增材制造工艺制备了双相不锈钢ER2594薄壁墙试样,并通过金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等检测设备,分析了电弧增材制造试样双相不锈钢ER2594的物相组成、显微组织结构;通过显微硬度仪、拉伸试验机、冲击试验机、电化学工作站等检测设备,测试并分析了电弧增材制造试样的力学性能和腐蚀性能.结果表明,双相不锈钢ER2594试样成形质量良好;显微组织观测发现主要为奥氏体和少量的d-铁素体;横向和纵向截面平均显微硬度分别为310 HV_(0.2)、312 HV_(0.2);其横向屈服强度、抗拉强度、伸长率、冲击功分别为650 MPa、854 MPa、42.7%、174.49 J;纵向屈服强、抗拉强度、伸长率、冲击功分别为620 MPa、850 MPa、45.2%、256.35 J;电弧增材制造ER2594薄壁件为韧性断裂;试样具备良好的耐腐蚀性能.

关键词： 电弧熔丝增材制造   低活性铁素体/马氏体钢   微合金钛   微观组织  

摘要： 采用电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)制备了Cr含量为9%的低活化铁素体/马氏体钢(Reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM)薄壁试样,并通过调整药芯焊丝成分,制备了具有不同钛含量的RAFM试样(xTi-RAFM,x=0,0.3,0.8,质量分数,%)。利用X射线衍射仪、光学显微镜、扫描电镜、电子探针、显微硬度计、万能试验机等研究了钛含量对RAFM钢微观组织、拉伸性能和抗氧化性能的影响。结果表明,添加适量的微合金元素Ti(x=0.3),熔池中原位生成了TiC和TiO_(2)粒子,可以起到细化晶粒、促进马氏体组织形成的作用。随着Ti含量增加(x=0.8),组织中形成粗大的铁素体晶粒。x=0.3时,试样的显微硬度和抗拉强度明显提高,并表现出各向同性。此外,由于固溶在基体中的Ti在氧化过程中促进致密氧化膜的形成,试样的抗氧化性显著提高,但随Ti含量增加,严重的内氧化导致抗氧化性能下降。

关键词： 增材制造   冷金属过渡   AZ31镁合金   焊枪倾角   缺陷抑制  

摘要： 针对镁合金电弧熔丝增材制造过程中存在的层间氧化及内部孔隙大的问题,开展改变焊枪倾斜角度的优化试验,研究不同倾角对单道多层样件氧化、内部孔隙率以及组织性能的调控作用和影响规律。研究发现,采取倾角沉积的样品,内部孔隙数量可以降到无倾角沉积的1/10~1/8,力学性能有提高的趋势。试验表明:焊枪倾角为7°时,成形件的形貌及综合力学性能更好。

关键词： 数值模拟   气流场   保护气   电弧增材制造  

摘要： 为了研究GTAW电弧增材制造过程中的保护气流场模拟,建立了GTAW系统保护气三维物理模型,确定了保护气计算区域和边界条件。采用ANSYS Workbench的Fluent模块,对不同流速Ar的GTAW电弧增材过程保护气拖罩进行模拟,获得了增材过程中保护气的流场。结果表明:薄壁墙大部分区域能被浓度为80%以上氩气所覆盖,增加氩气流量虽然在一定程度上改善了氩气分布的范围和浓度,但并不能有效改善拖罩与喷嘴之间的氩气浓度。通过向下延长拖罩侧壁来改变氩气的流动方向,增加内部氩气的覆盖范围和浓度,有效解决了喷嘴与拖罩之间的氩气浓度较低的问题。对于拖罩部分的氩气应按自然对流传热进行处理,喷嘴部分的氩气应按照热对流系数为21.2824W/(m^(2)·K)的强制对流传热进行处理。