关键词：
铝合金
旁路环形分流金属气体保护焊
电弧和强变形搅拌摩擦复合增材制造
热处理
析出强化
摘要：
铝合金因其具有低比重、低密度、高比强度和优异的耐腐蚀性能而广泛应用在船舶与海洋领域。增材制造作为一种节能低碳的制造技术,在制造大型船舶结构方面具有广阔的前景。丝材电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）和搅拌摩擦增材制造（Friction Stir Additive Manufacturing,FSAM）尤为适合生产铝合金试件。本研究分别改进了WAAM和FSAM工艺,并基于单一方法的局限性,提出了电弧和搅拌摩擦复合增材制造方法,并在钢基体上进行了铝合金原位增材制造。具体的研究结果如下:
改进了WAAM热源,提出了一种新型旁路环形分流熔化极惰性气体保护焊（Bypass Circumferential Current Metal Inert Gas Welding,BCC-MIG）方法。自行设计了环形分流焊枪,其中MIG电极从中心穿过环形旁路电极,利用环形旁路电弧加热中心焊丝。并且深入分析了BCC-MIG工艺的电弧特性、熔滴过渡和熔池行为。结果表明,环形旁路电弧能有效提高中心焊丝熔化效率,实现对焊丝熔化所需热量和母材承受热量的解耦;此外,探究了BCC-MIG增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金的组织和性能演变规律。
FSAM工艺无熔化焊的孔隙缺陷问题,但有效连接面积较窄,本研究改进了FSAM工艺,设计了根部加宽并带有凹向缺口的强变形搅拌针。与传统搅拌工具相比,有效连接面积提高了70%,并利用热处理工艺（T6、T73和RRA）对FSAM 7075铝合金结构进行了组织和性能调控,深入分析了微观形貌演化规律和强化机理。
由于FSAM工艺对工装环境要求较高,本研究开发了一种电弧和搅拌摩擦复合增材制造方法,用WAAM的层层堆焊代替板材层层堆叠,从而解决板材固定问题。为提高效率,在每4次电弧沉积后进行一次搅拌摩擦加工（Friction Stir Process,FSP）,有效FSP区域（针搅拌的区域）占整体区域比例约为40%。此外,采用了BCC-MIG热源抑制电弧堆焊的重熔和热循环,从而降低热输入对FSP区域的影响,并探究了复合增材制造试样的微观形貌演化规律和强化机理。层间FSP后,试件强度达到了424.8 MPa,低于FSAM工艺,这主要归因于电弧热和摩擦热导致的强化相粗化。为解决此问题,首次提出了同步强制冷却（Concurrent forced cooling,CFC）方法,在增材制造过程中,用-78℃的CO2同步冷却沉积层,并探究了CFC对微观形貌和力学性能的影响规律。此外,通过T6热处理进一步优化了试样的力学性能,并利用OM、SEM、EBSD和TEM详细分析了FSP、CFC和热处理对试样微观形貌和力学性能的影响规律。
为进一步提高有效FSP区域,采用强变形搅拌针在每层电弧沉积后进行一次FSP,利用轴肩和强变形搅拌针协同提高有效FSP区域比例,有效FSP区域比例超过70%。应用强变形搅拌针后,试样整体塑形变形程度明显提高,晶粒和析出相细化效果更好。此外,详细探究了热处理后析出相的演变规律,结果表明,细小的析出相更容易在固溶阶段溶入铝基体,T6热处理后析出强化效果更好。
电弧和搅拌摩擦复合增材制造方法为铝合金在钢表面增材制造提供了创新性的视角,有助于实现轻量化。首先,采用BC-MIG在钢上电弧堆焊一层薄的铝合金过渡层。由于薄的过渡层所需热输入低,结合BC-MIG的低热输入和良好的铺展性,界面金属间化合物（Intermetallic Compound,IMC）厚度能控制在1.5μm以内。而界面的抗剪力可以通过提高过渡层宽度来增强。随后,利用FSAM连接铝合金板和过渡层,避免搅拌针和高硬度的钢板接触。低热输入的FSAM几乎不会促进过渡层-钢界面的IMC生长,详细探究了搅拌针长和FSAM次数对过渡层-钢界面和铝-过渡层界面的微观组织和力学性能的影响规律。此外,根据铝钢复合结构常用的海洋环境,探究了其在3.5%NaCl溶液中的腐蚀性能和相应的耐腐蚀机理。
欢迎来到三峡大学图书馆！
