关键词： 脉冲TIG增材制造   960高强钢   宏观和微观结构   熔滴过渡   力学性能  

摘要： 采用直流和脉冲直流钨极惰性气体保护焊(Tungsten Inert Gas Welding,TIG焊)电弧沉积工艺来制造960高强钢薄壁构件。通过对比分析两种沉积方法,系统研究了不同工艺因素对沉积热过程中熔滴过渡和熔池稳定性的影响,探讨了沉积与结合层微观组织和力学性能的演化规律,为脉冲TIG(Pulsed-TIG)技术的工程应用提供有益参考。结果表明,直流TIG-WAAM(Wire arc additive manufacturing)和脉冲直流TIG-WAAM(Pulsed-TIG-WAAM)工艺下,构件整体成形过程相对稳定,脉冲直流沉积构件的焊道高宽比相对较低,加入脉冲后沉积层变得更为扁平,有利于沉积过程中熔池保持稳定,提高成形精度。沉积层自下而上的微观组织分布较不均匀,底层为细小奥氏体晶粒,中层为粗大等轴晶,顶层为奥氏体组织。脉冲的引入有效改善了组织均匀性,回火马氏体组织的形成提高了材料的塑性和韧性。直流TIG-WAAM和脉冲直流TIG-WAAM熔滴过渡模式分别为大滴过渡和细滴过渡,过渡频率分别为5.24 Hz和9.17 Hz。脉冲条件下的细滴过渡模式更有利于保证整个沉积过程的热稳定性、构件成形精度和工艺稳定性。

关键词： 钛合金   电弧增材制造   微观组织   调控工艺  

摘要： 钛合金以其高强度、抗高温蠕变、低密度以及良好的生物相容性等性能特点,在航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。当使用传统机械加工和铸造工艺制造钛合金构件时,其存在生产工艺复杂、材料利用率低、难以一次成型复杂结构等问题。增材制造(Additive manufacture,AM)作为一种新兴制造技术,因其特有的逐层堆积的工艺特性,在钛合金材料及其复杂构件生产制造方面具有广阔的应用前景。电弧增材制造(Wire arc additive manufacture,WAAM)具有沉积效率高、原材料利用率高、设备成本低等特点,是增材制造工艺中研究最早且应用最成熟的一种工艺。由于电弧增材制造过程中液态金属凝固速率大,其组织中易出现马氏体、针状α相、魏氏体相,这将极大削弱其力学性能并造成力学性能的各向异性。此外,构件表面粗糙度高、残余应力大、尺寸精度低等缺点也是限制电弧增材制造被广泛应用的重要因素。因此,需要对增材件的微观组织进行调控,并改进电弧增材制造工艺,以提高钛合金构件性能。当前,钛合金增材件微观组织的调控主要有两种工艺路径:后热处理和实时调控。后热处理是对增材构件进行适当的热处理以改善合金组织,提高钛合金性能。实时调控主要通过添加合金元素的方法进行冶金调控,并且可以生成强化相或细化晶粒。此外,将增材制造与其他辅助工艺相结合,如借助层间冷却、喷丸和超声波冲击处理等工艺,不仅可以细化晶粒,还可以有效地释放残余应力。本文首先介绍了钛合金电弧增材制造技术的工艺特点,综述了用于制造钛合金零件的几种基本WAAM工艺,并介绍了不同工艺下钛合金的组织及性能,讨论了用于优化钛合金增材制造件的微观结构、提高其力学性能的工艺方法,最后总结了当前几种WAAM工艺的优劣,以及微观组织调控的方法,并展望了WAAM未来的研究方向。

关键词： 铝合金   电弧增材制造   残余应力   数值模拟  

摘要： 文中基于热弹塑性力学理论,建立铝合金冷金属过渡(CMT)电弧增材制造筒状形件残余应力三维有限元分析模型。通过Ansys有限元软件对铝合金形件残余应力进行模拟计算,研究其分布特征,并将残余应力的计算结果与试验结果相对比,验证模型准确性。研究结果表明,铝合金CMT电弧增材制造筒状形件整体径向和轴向残余应力较小;而环向残余应力集中在形件下部区域,表现为拉应力,应力峰值约为300 MPa;随着高度的增加,环向拉应力减小为压应力,峰值约为-104 MPa;Von-Mises等效残余应力在形件厚度方向上分布均匀;在高度方向上呈先增大后减小特性;形件底部区域应力较大,峰值约为276 MPa,与材料屈服强度相近。

关键词： 电弧增材制造(wire arc additive manufacturing   WAAM)   钛合金   成形质量   在线监测   过程控制  

摘要： 电弧增材制造(wire arc additive manufacturing, WAAM)技术被认为是制造大型钛合金构件最具前景的增材制造技术之一。然而,成形过程稳定性差、成形件表面质量及尺寸精度低是制约WAAM钛合金构件推广运用的主要瓶颈,对WAAM成形过程进行实时监测及反馈控制是解决这一难题的重要研究方向,也是当前WAAM钛合金研究的热点之一。对于WAAM钛合金的高效稳定成形而言,成形机制的研究是基础,工艺及装备的优化是保证,成形过程的监测与控制是关键。简要介绍了WAAM钛合金的成形工艺、装备及其运用,指出了成形件组织及力学性能的特点及其调控方法。通过对WAAM钛合金常见缺陷及其形成机制的分析,指出了WAAM装备设计与工艺优化的方向。总结了WAAM成形过程中基于视觉信号、电信号、声信号及多信号融合的在线监测方法,综述了成形过程控制方法及控制系统的发展。最后,对全文进行了总结,展望了未来WAAM钛合金成形与控制领域值得深入研究的方向。

关键词： 双脉冲MIG   电弧增材制造   熔滴过渡   微观组织   力学性能  

摘要： 采用单、双脉冲MIG电弧增材制造工艺制备了铝合金成型件,建立高速摄像以及电信号同步采集系统对增材过程进行实时监测,结合堆垛过程中实时电压、电流信号,对比分析了单、双脉冲MIG工艺的熔滴过渡行为及其对增材件微观组织和力学性能的影响。结果表明,单脉冲与双脉冲熔滴过渡均为一脉一滴,相比于单脉冲大滴模式,双脉冲MIG工艺熔滴过渡频率更高,熔滴尺寸更小,获得的铝合金成型件的精度更高。单脉冲与双脉冲模式下所获得的微观组织存在明显差异,双脉冲MIG工艺中,两层熔合处可获得细化的晶粒,有效地改善了堆垛层的微观组织。对比两种电弧波形的增材件的力学性能,双脉冲MIG增材件的最大抗拉强度可以达到245.57 MPa。

关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡焊   显微组织   力学性能   弹性模量  

摘要： 研究了2319铝合金冷金属过渡焊电弧增材成型试样沉积态及热处理态的显微组织、力学性能,以及不同温度对弹性模量的影响。结果表明:沉积态纵向试样的抗拉强度比横向试样小9.3%,纵向试样的抗拉强度存在各向异性;热处理后,试样的抗拉强度提高了约35%,纵向试样的抗拉强度仍然存在各向异性;热处理后,纵向试样和横向试样的弹性模量基本一致,随着试验温度的升高,弹性模量均呈下降趋势。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   应力场   变形量  

摘要： 利用Simufact Welding有限元分析软件,采用生死单元法对镍基高温合金GH4169钨极惰性气体(TIG)保护焊电弧增材单道多层应力场进行数值模拟。采用盲孔法测试选取的基板上垂直于焊缝中垂线上各点残余应力,得到实测值与模拟值误差在10 MPa内,误差百分比约为2.8%。对增材工件进行变形分析,结果表明:重复热循环作用使得成形件内应力不断骤升骤降,且应力峰值逐层递减。成形卸载后,残余应力主要集中于成形件起弧与熄弧处底端。成形件冷却至室温后总变形量呈对称分布且在横向方向上翘曲程度最大,总变形量达到1.82 mm。

关键词： 铝合金   超声搅拌   增材制造   显微组织   力学性能  

摘要： 在5356铝合金电弧增材制造时,采用随电弧同步移动的搅拌针在熔池内施加不同频率(30、40、50kHz)超声搅拌,结果表明:增材层组织与未施加超声搅拌时相比,晶粒细化,柱状晶数目减少,等轴晶数目增加;且随着超声频率增加,晶粒细化更加明显;增材层孔隙率随超声搅拌频率增加呈降低趋势,在30、40、50 kHz时分别为0.73%、0.64%、0.59%,但均高于未加超声搅拌的试样(0.2%);随着超声搅拌频率增加,增材层强度与塑性均有所提升:增材层的抗拉强度在0、30、40、50 kHz时分别为266.57、278、282、299 MPa,伸长率分别为30.67%、31.54%、35.53%、41.86%。

关键词： 电弧增材制造   钛合金   计算流体力学   熔池   液桥过渡  

摘要： 建立了电弧熔丝增材制备TA31钛合金过程传热传质的三维瞬态计算流体力学模型,采用流体体积法对自由表面进行追踪,计算了熔滴生长、液桥过渡和脱离焊丝进入熔池的动态演化,以及在表面张力、电弧压力、电弧剪切力、电磁力、重力和热浮力的作用下熔池流体流动的速度分布,并通过与高速成像以及沉积层横截面的比较,验证了该数值模型的有效性。结果表明:液桥过渡模式对熔池冲击较小,有利于减少成形表面的不规则性。随着熔池几何形状的扩大,沉积层高度先增大后减小,最后趋于稳定。在电弧压力和表面张力的作用下,熔池表面形成凹陷,熔池内部产生对流。惯性力和表面张力是影响液桥流动的最重要驱动力,粘性力和重力的影响可以忽略不计。

关键词： 钛合金   环形结构件   电弧增材制造   热应力   仿真   沉积路径  

摘要： 针对典型钛合金环形结构件,在电弧增材制造中易出现变形开裂的问题,开展沉积路径对钛合金环形结构件成形过程中残余应力和变形的研究。通过建立电弧增材制造热应力仿真模型,分析不同沉积路径对钛合金环形结构件应力和变形的影响规律。研究发现:不同沉积路径下,钛合金环形结构件的残余应力和变形量明显不同。同时,变形量随着高度的升高而增大,沉积路径对基板的应力影响明显。对于典型钛合金环形结构件来说,不同沉积路径对成形件热应力变形演化行为有较大影响。该研究为电弧增材制造钛合金环形构件高质量近净成形技术的研究提供重要参考。