关键词： 电弧增材   铝合金   有限元模型   温度场   残余应力  

摘要： 本文通过构建AlSi10Mg铝合金电弧增材过程的热–弹–塑性有限元模型，计算增材过程中温度场随时间的变化情况，分析不同热源功率对熔池的影响。并在温度场计算结果的基础上，进行残余应力的计算，探究在增材过程中残余应力的形成与分布规律，研究热源功率、沉积速度对残余应力的影响。研究表明，最大残余应力出现在沉积层中间；从基板向沉积层靠近，纵向应力数值逐步增大，表现为压应力，到达沉积层转变为拉应力，在中心区域达到最大；横向应力相比纵向应力较小。并且随着热源功率的增加，残余应力增加；随着沉积速度的增加，残余应力减小。

关键词： 三丝间接电弧   增材制造   未熔合缺陷   倾斜基板   力学性能  

摘要： 增材制造是一种新兴的制造技术,有着生产成本低、效率高以及可以制造复杂结构件等优势,对于现代的加工制造业是一种重要技术。电弧增材制造技术具有力学性能好、致密度高等优势,但是往往面临热输入与熔覆率的矛盾。三丝间接电弧(TW-GIA)是一种低热输入、高熔覆率的熔覆方法,本文将TW-GIA技术应用于增材制造领域研究中,实现了多层多道块体零件的增材制造。主要研究内容与结论如下: (1)设计了三种TW-GIA的增材路径,对比研究了其成型特性与性能。结果表明,三种不同的增材路径均会形成未熔合缺陷。平行顺序增材路径试件的缺陷面积比为11.71‰,但是该试件有着84.70%的材料利用率、较为平均的表面粗糙度,试件平均硬度为245.4 HV0.2,横、纵向抗拉强度和断后伸长率分别为463 MPa、25%和455 MPa、27%,综合力学性能是所有增材路径中最好的。因此,认为平行顺序增材路径是最优的TW-GIA增材路径,但是未熔合缺陷仍需进一步采取措施改善。 (2)分析了未熔合缺陷的形成机理,提出了倾斜基板熔覆的工艺优化方案。使用优化后的工艺进行了单层多道熔覆试验。结果表明,在基板倾斜后,电弧可以直接对前一熔覆道焊趾部位进行加热,熔化该区域的凝固金属,并与熔滴结合形成共熔池,在合力的作用下沿基板向下流动,可以得到成型致密的堆积层。但是该工艺也存在首道熔覆道在倾斜基板状态下的流淌现象,因此,对单道熔覆道进行了工艺探究并捕捉了熔池流动形态,发现随着倾斜角度的增加,熔覆道的沿基板向下流淌现象变得严重。因此,提出在熔覆过程中的首道熔覆道于平板状态下堆积、后续熔覆道在倾斜基板状态下堆积的改善工艺,该工艺可以得到首道熔覆道不流淌、无未熔合缺陷的致密熔覆层。 (3)使用倾斜基板和脉冲电流的优化工艺进行了多层多道块体增材试验。结果表明,倾斜基板和脉冲电流共同作用可以大幅度降低未熔合缺陷的缺陷面积比,随着基板倾斜角度增加,缺陷面积比逐渐降低,倾斜40°下的试件缺陷面积比仅有1.36‰,未熔合缺陷得到极大改善。但试件材料利用率也有所降低,倾斜40°下的试件材料利用率仅有81.48%。试件的X方向表面粗糙度在倾斜基板状态下较大,说明倾斜状态的熔池侧壁流动现象会增加X方向粗糙度。在脉冲电流的搅拌作用下可以细化晶粒,试件性能得到改善,倾斜30°的试件有着252.9 HV0.2的最高平均硬度,倾斜20°的试件横向、纵向拉伸试件的抗拉强度最高,分别为655 MPa、706 MPa,倾斜40°的试件拥有最高的横向、纵向断后伸长率,分别为9%、12%。

关键词： 电弧增材   Al-Cu-Mg-Ag合金   热处理   微观组织   力学性能  

摘要： 随着我国高端装备制造业的飞速发展,新材料的设计、生产与应用作为关键技术突破的基础有着极其重要的地位。当前部分航天产品不仅追求轻质高强,还对耐温性提出了新的要求,且对此类材料和构件的研制周期与成本控制有着严苛的要求。Al-Cu-Mg-Ag系耐热高强铝合金以其更高温度的热稳定性引起了研究人员的广泛关注。然而,传统材料制备、成形制造模式下周期长、成本高,如何实现符合航天产品技术指标的Al-Cu-Mg-Ag合金构件高效低成本制造成为关键。电弧增材在金属增材制造技术体系中具有沉积效率高、硬件及运行成本低、可成形大型复杂结构件的特点,为Al-Cu-Mg-Ag合金构件高效低成本制造提供合适的技术路径。因此,本文旨在探索一种定制化Al-Cu-Mg-Ag合金的电弧增材制造工艺特性,并研究增材成形构件微观组织和性能在热处理条件下的演变规律,提出适用的热处理规范,主要的研究成果简介如下。 （1）对采用的Al-Cu-Mg-Ag合金新材料的电弧增材成形能力进行了对比评估。电弧增材成形能力可以类比可焊性概念的部分内涵,业界尚无系统讨论。本文从表面张力系数影响熔池流动、电弧气氛影响燃弧和熔滴过渡稳定性两个角度对这种新材料的成形能力进行了分析,并以常用的2319丝材成形能力作为参照对比。通过激光熔滴生长控制方法对Al-Cu-Mg-Ag合金的表面张力系数进行测定,并结合熔滴过渡高速摄像观测和电弧电信号分析对两种材料单道成形形貌的差异进行了分析。结果表明:Al-Cu-Mg-Ag合金与2319合金相比具有更低的表面张力系数,液态熔池的润湿铺展能力更强,熔滴过渡到基板形成熔池后的回流过程更加充分,使得在低热输入条件下成形质量有明显改善。在电弧方面,试验观测到Al-Cu-Mg-Ag合金熔滴过渡行为更加稳定、平滑,同步采集的电信号波形的噪声和扰动特征明显减弱,显示Al-Cu-Mg-Ag合金为丝材电极时电弧稳定性更好,而且在同等电流下,Al-Cu-Mg-Ag合金电弧弧长更高但弧压反而有所降低,这是由于Ag元素和更高含量的Mg元素使得电弧气氛电离度提升,故而电弧本身更稳定,对熔池的笼罩和加热也更加均匀,这也是Al-Cu-Mg-Ag合金低热输入单道成形能力明显改善的原因之一。 （2）基于CMT（Cold Metal Transfer）电弧工艺对Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材制造工艺特性进行了基础但非常必要的试验研究。对比分析了多种电流波形-熔滴过渡预设模式下沉积层的成形特点。结果表明,CMT+P（CMT短路过渡附加脉冲波形）工艺模式下的Al-Cu-Mg-Ag合金沉积层具有更为光滑的表面,更均匀的形貌特征,以及更充分的层间结合。在此基础上系统地分析了CMT+P模式下相关工艺参数对Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材成形构件形貌的影响规律。进一步对Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材构件的内部微观组织特点与缺陷分布特征以及力学性能进行了测试。结果表明:电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金构件在达到热稳定层数后,沉积层中心处的微观组织多呈等轴晶分布,但在层间区域发现了排列整齐的柱状晶区和增加的气孔缺陷,多层热循环导致初始层道微观组织中出现纳米级析出相,使构件底部硬度得到提高,增材构件水平方向和垂直方向取样测得平均抗拉强度分别为260 MPa和247 MPa,符合预期。 （3）对电弧增材Al-Cu-Mg-Ag合金在固溶和时效处理下的组织性能演变机制进行了研究。通过多种显微分析方法对比分析了不同固溶与时效处理条件下Al-Cu-Mg-Ag合金内部析出强化相的尺寸、种类与分布特征。结合不同固溶-时效条件下合金力学性能的变化规律,明确了适用于电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金构件的固溶和时效处理规范参数,从而保障在固溶处理阶段充分促进析出相的溶解和固溶过程。试验分析发现由于合金中Ag的加入,时效处理时,形成的Mg-Ag团簇促进合金内部弥散析出大量的细小纳米级?相,其平均长度在52nm,厚度为（2.5～3）nm,有利于为合金提供更优越的高温性能稳定性。 （4）对热处理态Al-Cu-Mg-Ag合金电弧增材试件的耐高温性能与耐腐蚀性能进行分析。结果表明,经热处理后的Al-Cu-Mg-Ag合金试件在200℃下垂直方向的抗拉强度平均值为310.0 MPa,为热处理后室温抗拉强度的83.3%。试验观测发现时效过程析出的大量细小弥散分布Ω相在高温下不易聚集长大的特点,这使得合金在200℃下仍能具有良好的力学性能。而在熔积-固溶-时效过程中发现的其他含Ni与含Mn的三元相也作为热稳定相积极影响了合金的耐高温性能。由于经热处理后的Al-Cu-Mg-Ag合金析出相成分依然为Al2Cu,腐蚀形态依然主要以点腐蚀为主,合金中析出相Al2Cu与铝基体之间的电位差导致铝基体会率先受到腐蚀形成点蚀坑,耐腐蚀

关键词： 电弧增材制造   激光沉积制造   热处理   显微组织   力学性能  

摘要： 激光沉积制造（Laser deposition manufacturing,LDM）和电弧增材制造（Wire arc additive manufacturing,WAAM）作为两种典型的增材制造技术,有其各自的优缺点。LDM制备的零件虽然表面精度较高,但低加工效率导致生产周期较长,并且材料利用率较低。WAAM制备的零件尽管表面比较粗糙,但加工效率可以达到数千克每小时,且成本较低。因此,LDM-WAAM技术可以将LDM和WAAM的优势充分结合,实现大型复杂零件高精度、高效率、低成本的增材制造。然而,目前为止,关于LDM-WAAM制备钛合金零件显微组织演变和断裂行为的分析还不够深入。除此之外,在不同热源的作用下,LDM-WAAM复合钛合金试样内部的显微组织出现了不均匀的现象,这导致WAAM区总是成为复合试样力学性能的薄弱区。因此,本文提出了层间强制冷却和固溶时效两种方法改善试样的显微组织和力学性能,旨在实现复合试样微观组织的均匀化与强塑性的同步提升。 首先,利用LDM-WAAM技术制备了TC4（Ti-6Al-4V）试样,并深入讨论了试样微观组织的演化机制以及断裂行为。结果表明,采用LDM-WAAM制备的试样分为四个区域:WAAM区、热影响区、重熔区和LDM区。WAAM区主要由粗集束组织构成,HAZ和RZ分别以α集束和细网篮组织为主,LDM区由针状α相和细网篮组织组成。值得注意的是,由于WAAM区粗大的微观组织,导致复合试样的断裂位置均发生在WAAM区,表明WAAM区是复合试样力学性能的薄弱区。 因此,为了优化复合试样中WAAM区的力学性能,针对单独的WAAM工艺,本文提出了一种通过层间强制冷却的方式来提高WAAM区力学性能的方法,揭示了层间强制冷却对试样显微组织和力学性能的影响机理。引入层间强制冷却后,WAAM区初生β柱状晶尺寸减小。层间强制冷却导致冷却速率的增加,大集束组织转变为网篮组织,试样的强度和塑性均有一定程度的提高。然而,研究发现,引入层间冷却装置之后增材试样内部仍然存在微观组织不均匀的现象。 针对上述问题,本文提出了一种通过调整热处理制度实现显微组织均匀化,并同步提高试样强度和塑性的方法。复合试样经过固溶时效（Solution treatment and aging,STA）处理后,微观结构不均匀的问题得到了明显改善。显微组织均转变为由初生α相（Primaryα,αp）和β转变（β-transformed,β_t）组织组成的“双峰”结构。随着时效温度的升高,β_t的体积分数增大,αp相的体积分数减小,并伴有块状α相的形成以及次生α相（Secondaryα,αs）的粗化。除此之外,STA对WAAM区的强度有明显的提高,STA试样的断裂位置随机分布在WAAM区和LDM区。在750℃的时效温度下,LDM-WAAM复合试样显微组织的均匀化程度更高,并且极限抗拉强度达到了976 MPa,伸长率达到了13.57%,实现了良好的强塑性匹配。

关键词： 超声-MIG   电弧增材   熔池   数值模拟   图像处理  

摘要： 熔化极惰性气体保护焊(Melt Inert Gas Welding,简称MIG)具有成本低、生产效率高、可控性好等优势,成为电弧增材制造生产过程中常用的热源。超声-MIG电弧增材制造是一种很有发展前景的制造方法,通过在金属增材过程中引入超声波能量,可以显著改善构件的成形质量和性能。为深度理解超声-MIG电弧增材过程熔池的传热传质过程,本课题采用FLUENT流体仿真软件对超声-MIG电弧增材制造熔池的多物理场特性进行数值模拟,并对模拟结果进行分析研究,对进一步提升超声-MIG电弧增材质量具有重要的实际应用价值。 论文基于流体动力学、传热传质学以及电磁学等相关理论,结合熔滴与熔池的相互影响、电弧压力变化特性,构建了一个超声-MIG电弧增材制造三维瞬态熔池流动数值模型;分析常规MIG电弧增材制造和超声-MIG电弧增材制造熔池物理性能上的差异;采用控制变量法,探讨了增材制造中熔池温度场、压力场、流体特性及堆积层沉积特性。结果表明,超声的加入改善了堆积层的润湿性;超声附加力使得增材制造过程中熔池流速加快,熔池尾部产生后溢现象,熔池长度和深度增加,金属熔化区域增多。 为了验证数值模拟结果的可靠性,开展与数值模型同等参数下的电弧增材验证实验,并使用高速摄像机收集实验过程实时图像。根据采集的图像分析熔池动态变化过程,制作堆积层横截面样品,展开宏观形貌和微观组织分析,根据实验结论和模拟结果开展多角度对比。结果表明,不同电流参数(I=100 A、140 A、180 A)下,在添加超声后,电弧增材熔池内部的峰值温度增大,且超声对较小电流参数下熔池内部的峰值温度增幅更明显。超声-MIG电弧增材改善了堆积层宏观形貌,堆积层熔宽、熔深增加,高度减小,堆积层润湿性得到改善,同时超声的加入使堆积层熔池中晶粒细化,增强了堆积层的机械性能。文中数值模拟结果与实验结果能良好吻合。