关键词： 电弧熔丝增材制造   低合金高强度钢   微观组织   机械性能   耐腐蚀性能  

摘要： 电弧熔丝增材制造(WAAM)技术是以电弧为热源,熔敷填充的丝材,沿着设定路径层层堆积制造实体金属部件的成形方法。WAAM具有成形效率高、生产成本低等优点,尤其适合中大型金属构件的快速制造。低合金高强度(HSLA)钢具有良好的强韧性与焊接性而被广泛应用于桥梁、船舶制造等领域。现有焊接用丝材难以满足WAAM HSLA钢构件所需的工艺与冶金性能的要求。因此,根据不同钢构件的成分特点和性能要求,设计适用于WAAM的钢丝材成为当下的研究重点。本文依据GJB9557-2018对船用钢构件的化学成分及性能要求,设计了一种低碳低合金钢丝材。通过GMAW-WAAM工艺制备了堆积体成形件,并对构件的微观组织、力学性能与抗腐蚀性能进行了研究。结果表明,沉积态试样的微观组织由粒状贝氏体(GB)与多边形铁素体组成。在水平(X)和垂直(Z)方向的抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率(EL)分别为736 MPa、542MPa、23.29%和753 MPa、553 MPa、22.28%;X、Z方向的-20℃低温冲击功分别为132J和102 J。400℃退火试样的UTS、YS、EL和冲击功在X向与Z向分别为682 MPa、492 MPa、26.20%和137 J;713 MPa、513 MPa、24.07%和119 J。600℃退火试样的UTS、YS、EL和冲击功在X向与Z向分别为622 MPa、426 MPa、27.05%和158 J;639 MPa、443 MPa、24.91%和126 J。这是因为随着热处理温度的不断提高,强化相M/A组元逐渐分解为铁素体与碳化物,导致试样强度下降,塑性、韧性上升。700℃退火试样的UTS、YS、EL和冲击功在X向和Z向分别为770 MPa、568 MPa、24.55%和148 J;765 MPa、567 MPa、24.50%和135 J。这是由于部分奥氏体化后,缓慢冷却重新生成了组织均匀的粒状贝氏体,强度与塑性和韧性较沉积态试样均略有提高。800℃退火试样的UTS、YS、EL和冲击功在X向和Z向分别为709 MPa、506 MPa、24.96%和133 J;712 MPa、516MPa、24.58%和121 J。这是由于退火温度较高,重新生成的粒状贝氏体组织发生了长大现象,导致强度下降。WAAM HSLA钢腐蚀过程是由点蚀向均匀腐蚀过渡,最终全面腐蚀。富碳的M/A组元作为阴极加速了阳极铁素体的腐蚀。浸泡28天后腐蚀速率为0.262mm/y,略大于921A钢。各条件试样动电位极化曲线基本一致,具有相同的阴极和阳极过程机制。随着浸泡实验时间的延长,921A钢与WAAM沉积态试样电化学阻抗谱容抗弧半径不断减小,耐蚀性能变差。400℃、600℃退火态试样与沉积态试样相比阻抗谱半径略有增大;700℃、800℃退火态试样阻抗谱半径大幅减小。

关键词： 增材制造   旁路耦合三丝间接电弧焊   电弧特性   成形特性   力学性能  

摘要： 增材制造是一种快速近净成形技术,具有节能、环保、高效等独特的优势,目前已成为工业4.0时代的关键技术。旁路耦合三丝间接电弧焊(BCTW-GIAW)是在三丝间接电弧焊的基础上改进而来的新型焊接工艺,具有熔敷率高、热输入低且易于调控的特点,很顺应当代制造业的发展趋势。本文研究了BCTW-GIAW的参数影响机理,并首次提出将该技术应用到增材制造领域,实现了直壁墙体以及多层多道零件的优质高效增材。具体研究内容及结论如下: (1)采集了焊接过程中电弧形态、电流电压信号以及熔滴过渡行为,并结合焊缝形貌分析了丝端间距及旁路电流对焊接稳定性及焊缝成形的影响。研究发现,随着丝端间距的增加,电弧稳定性下降,同时左、右边丝熔滴过渡路径之间的夹角逐渐增大,右边丝熔滴过渡频率下降;当丝端间距3.8 mm时,可在保证成形良好的前提下获得铺展性较优的焊缝。随着旁路电流的增加,电弧集中性不断减小,系统总体的电压变异系数增加,电弧稳定性下降;当旁路电流为155 A时,可在保证在电弧稳定、熔滴过渡及焊缝成形良好的前提下获得铺展性最优的焊缝。 (2)研究了总电流以及旁路电流对旁路耦合三丝间接电弧增材制造(BCTW-GIA-AM)单道多层薄壁件表面成形、显微组织以及力学性能等方面的影响。结果表明,当总电流为360 A时,旁路电流为155 A时,虽然损失了的沉积高度增长速率,但薄壁试样成形质量最好。采用优化的参数得到了成形良好直壁体,各部位显微组织主要由呈白色的铁素体、呈灰暗色的珠光体组成,此外还存在少量残余奥氏体,从底部到顶部晶粒尺寸先增加后减小,硬度呈现先降低后增加的趋势,试样整体平均硬度为178.43 HV,平均抗拉强度为535 MPa,可满足低碳钢增材制造的质量要求。 (3)研究了焊接方向及送丝速度对单道焊缝成形特性的影响,并进行了BCTW-GIA-AM与单丝熔化极电弧增材(GMA-AM)多层多道增材的对比试验。研究发现,采用逆向焊接优化了主丝及两边丝的铺展顺序以及熔池受力,可有效提高焊缝的铺展性能,同时降低母材稀释率。BCTW-GIA-AM的沉积速率可达15.72 kg/h,是GMA-AM的近4倍。电弧的导电通道的优化使得BCTW-GIA-AM的热输入及热积累降低,同时抑制变形及残余应力的产生。BCTW-GIA-AM试件整体平均硬度与GMA-AM的差异不大,但平均抗拉强度及延伸率较之均有所提升,并且拉伸性能的各向异性更小。

关键词： 增材制造   电弧增材制造   激光定向能量沉积   304   Ni60B   TiC  

摘要： 随着航空航天、海洋工程、轨道交通等领域的高端装备对高性能大型复杂金属构件的需求日益增多,传统铸-锻-机加方式在制备大型复杂金属构件时受到越来越多的限制。增材制造以其特有区别于传统制造的优势脱颖而出,但是单一增材工艺在多材料构件制备、效率以及成本等方面仍然存在较多局限。针对现有发展需求,本文将电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）沉积效率高、低原料成本的技术特点与激光定向能量沉积（Laser Directed Energy Deposition,LDED）高精度、高性能的优势进行结合,为多材料大型复杂结构高效低成本制造提供全新的制造方案。本文利用WAAM制备了304三维块体结构,利用LDED在其表面制备了304局部结构、Ni60B涂层及TiC涂层,成形得到复杂异质材料样件,系统分析不同载能束对增材制造成形样件微观组织和力学性能的影响规律。本文主要研究内容及结论如下: （1）WAAM和LDED成形304样件物相均存在γ-奥氏体基体相、δ-铁素体条状相及Si氧化物球形相。两种工艺成形304材料呈现FA凝固模式,显微组织均呈现柱状晶、树枝晶发达生长的特征。WAAM相较于LDED能获得更高的成形效率及材料利用率,LDED相较于WAAM微观组织更为细小和致密,成形304样件具备更佳的性能。由于热输入的不同及晶粒大小的差异,电弧成形块体硬度由下层到上层呈现逐步降低的规律,而激光成形区域的硬度整体大于电弧成形区的硬度。WAAM块体及复合成形样件,抗拉强度沿扫描方向、搭接方向到沉积方向逐步减小,复合成形样件的拉伸试验断裂位置都位于电弧成形段,在激光强化作用下,结合强度对比电弧成形抗拉强度有着微弱的提升。通过对断口的观察,发现断口均存在大量韧窝,表明断裂方式为韧性断裂。 （2）LC成形Ni60B获得了与WAAM成形304基体良好冶金结合的涂层,内部检测出γ-（Ni,Fe）,Fe Ni3,（Cr,Fe）mC_n和NimSi_n四种物相,Fe元素稀释作用抑制了硼化物的生成。Ni60B涂层由过渡界面向上分别出现了平面晶和细长柱状晶,熔池内部出现杂乱生长的枝晶结构。Ni60B复合材料涂层将304基体由210±2.0 HV0.2提升至580±4.3HV0.2,涂层硬度达到了基体的2.76倍。Ni60B涂层质量及体积损失量相较于304基体区域,仅为10.54%和15.40%,复合成形涂层获得了明显优于304基材的耐磨性能。 （3）304-TiC涂层内部出现了TiC和γ-Fe两种物相,同样获得了良好的冶金结合。涂层内部出现了未熔TiC、小颗粒初生TiC、枝晶状初生TiC、沉淀在晶界处的环形TiC四种强化硬质相,初生TiC的形态并不会改变元素的分布,共晶TiC颗粒沉淀于基体相晶界呈现链状结构,激烈对流促使微观组织的均匀分布,使得枝晶臂从大尺寸DPT上脱落并在熔池中独自长大,在部分区域生成等轴状TiC颗粒。复合材料涂层硬度由基体相的207.7±4.2 HV0.2提高至654.7±41.0 HV0.2。TiC涂层磨损损失量仅相当于WAAM-304的0.519%-0.71%。WAAM-304以磨料磨损和黏着磨损为主,TiC为磨料磨损和轻微的剥层磨损共同作用。

关键词： 电弧增材制造   高氮钢   熔滴过渡   超声振动  

摘要： 高氮钢作为一种成本低、强度高、耐腐蚀性好、生物相容性好的材料,在防护装甲、发电机护环、医疗器械等领域的应用日益广泛,近年来发展尤为迅速。传统的高氮钢制造方法成本较高且工艺复杂,而采用电弧增材制造高氮钢构件的方法可以在降低设备成本的同时获得较高的沉积效率,因此也逐渐成为研究的热点。本文主要利用MIG方法进行高氮钢增材制造,在其熔滴过渡过程中,氮原子会形成氮分子,进而产生氮气泡,随着氮气泡的不断产生和聚集,熔滴不断膨胀直至产生爆破现象,造成了严重的氮损失问题。针对上述问题,受到高压吹氮法制造原理的启发,本文提出一种超声复合MIG增材的方法,利用超声波振动所产生的超声辐射力来抑制熔滴过渡时氮气的逸出,减少固溶氮损失;超声振动的稳态空化过程会加快熔池中氮气泡的逸出,有利于减少增材体的氮气孔改善其力学性能。本文利用氮含量0.35%和0.70%的高氮钢焊丝,对常规MIG和超声复合MIG下的熔滴过渡行为进行了研究,得出了能够抑制氮逸出行为的最佳匹配焊接参数和超声参数,并应用于高氮钢电弧增材制造中,研究了构件的含氮量、组织和力学性能。 首先,利用0.35%含氮焊丝进行了MIG单道堆焊实验,找到最佳成形参数区间,并使用高速摄像机拍摄了两种焊丝在不同焊接工艺参数下熔滴过渡行为变化并作对比。实验后发现0.35%含氮焊丝无论在短路过渡还是在滴状过渡情况下,熔滴均存在大尺寸膨胀和爆破的现象,一个周期一般只发生一次,随着送丝速度的提高,短路过渡频率增大,滴状过渡周期缩短,熔滴膨胀尺寸会有一定的减小,爆炸次数也会有所减少;对于0.70%的含氮焊丝,熔滴发生大尺寸膨胀和爆破的现象更频繁和剧烈,一个熔滴过渡周期会存在多次氮逸出现象,且提高送丝速度后其熔滴过渡行为变化不明显。 进行了超声复合MIG熔滴过渡行为研究,首先利用控制变量法对0.35%含氮焊丝进行实验,探究超声发射端高度对电弧形态的影响,阐明在第一、第二谐振高度下超声输出功率对短路过渡、滴状过渡行为的影响规律,揭示超声对熔滴过渡行为的影响机理。实验发现超声输出功率越大,对抑制熔滴的氮逸出现象的效果越好,熔滴过渡过程也更稳定,适当的增加送丝速度可以在较小的超声输出功率下达到抑制效果。对0.70%含氮焊丝的熔滴过渡行为研究,发现适合0.35%含氮焊丝的工艺参数不适用于0.70%含氮焊丝,通过工艺参数优化,进一步提高送丝速度并匹配大超声功率,才能使其达到抑制氮逸出的效果。 对超声复合MIG熔滴过渡行为机理进行了分析。由分析得,在慢送丝速度下电磁力较小,熔滴在焊丝端部停留时间较长,熔滴内部氮气积累量较多,此时复合超声难以抑制熔滴的膨胀、爆破现象。在中等、快送丝速度下,电磁力增大,复合超声后短路过渡频率加快,熔滴来不及发生膨胀就和熔池接触;滴状过渡周期变短,熔滴脱离焊丝时内部氮气聚集量少,其来不及发生膨胀就进入到熔池内部,固溶氮转变成氮气分子的比例低,氮损失减少。 利用两种含氮量焊丝进行了MIG增材实验,对常规MIG和超声复合MIG构件的成形、含氮量、组织、力学性能进行了分析,对于超声发射端高度,在短路过渡、滴状过渡分别采用第一、第二谐振高度。对比分析后发现,0.35%含氮焊丝复合超声的增材构件成形较好,无宏观气孔;由于焊丝本身氮含量较低,氮含量最多提升到0.33%,只提升了0.02%;组织明显细化,抗拉强度提高了约50MPa,延伸率提高了27%,硬度值变化不大。0.70%含氮焊丝在焊接电压24.5V的短路过渡形式下复合超声后,增材构件宏观气孔较多,氮含量减少了0.07%;在焊接电压28V和30V两种滴状过渡形式下复合超声后,宏观气孔减少,增材构件的氮含量分别提升了0.1%和0.14%。这几组构件在复合超声前后氮含量变化规律存在差异,其主要原因不是熔滴过渡形式的不同或复合超声前后熔滴过渡形式的转变,而是超声发射端高度不同,导致对熔池振荡的剧烈程度不同。对于短路过渡情况,在第一谐振高度下的超声振动会加剧熔池氮损失;而对于滴状过渡情况,在第二谐振高度下的熔池氮损失相对较少,且固溶氮含量的提升使得构件组织中铁素体相尺寸明显变小、含量减少一半以上,抗拉强度提高了100MPa以上,延伸率提高了5%到10%,硬度值提高了25%以上。所有增材构件的断裂形式均为韧性断裂。

关键词： 铝合金   电弧熔丝增材制造   拉伸性能   疲劳   腐蚀   各向异性  

摘要： 电弧熔丝增材制造(Wire Are Additive Manufacturing,WAAM)因在制造大型金属元件方面具有沉积速率快、材料利用率高,且生产成本和设备成本相对较低等优点,被认为是一种很有前途的大尺寸部件的制造方法,在航空航天、轨道交通等领域具有广泛的应用前景。本论文以Al-Mg、Al-Mg-Sc合金作为研究对象,以单材料增材与多材料层状复合增材的方式制备了 Al-Mg合金、Al-Mg-Sc合金以及Al-Mg/Al-Mg-Sc层状复合合金构件,研究了合金构件的显微组织与力学性能以及腐蚀性能的关系,为提升电弧熔丝增材制造构件的力学性能及使用寿命提供研究思路。主要研究结论如下:(1)研究了电弧熔丝增材制造Al-Mg合金的拉伸和疲劳性能及其各向异性。结果表明,Al-Mg合金的拉伸性能与疲劳性能均表现出强烈的各向异性,在0°方向性能最好,90°方向最差。沉积层之间的大量弱结合区域是合金90°方向拉伸性能表现最差的主要原因;而疲劳性能差异与其柱状晶粒微观组织密切相关,0°方向上疲劳裂纹扩展方向垂直于其柱状晶界,裂纹扩展更容易被阻挡和偏转,90°方向上疲劳裂纹扩展方向与其柱状晶界平行,裂纹更容易沿柱状晶界扩展。(2)研究了电弧熔丝增材制造Al-Mg-Sc合金的拉伸和疲劳性能及其各向异性。结果表明,Al-Mg-Sc合金的拉伸性能与疲劳性能均表现出强烈的各向异性,在0°方向性能最好,90°方向最差。沉积层之间的大量弱结合区域是90°方向拉伸性能表现最差的主要原因;与Al-Mg合金相比,Al-Mg-Sc合金的整体疲劳性能表现更差,这是因为其更加细化且均匀的微观组织分布所致,其疲劳性能的差异与合金的残余应力分布情况密切相关,0°方向层内区域的残余压应力会降低疲劳裂纹扩展过程中平均组合施加的应力,从而提高疲劳性能,90°方向层间区域的残余拉应力则会导致疲劳裂纹扩展过程中较高的平均组合施加应力,对合金的疲劳性能产生负面影响。(3)对电弧熔丝增材制造Al-Mg/Al-Mg-Sc层状复合合金的显微组织和拉伸力学性能进行研究,探究多材料复合增材制造的可行性。结果表明,在多材料复合增材方案下,合金的拉伸性能仍然呈现出各向异性。但相较于单材料增材的Al-Mg和Al-Mg-Sc合金,其弱结合区域明显减少,有效的改善了电弧熔丝增材制造构件沉积层之间界面结合力差的问题。在保证强度的前提下有效的提高了合金的塑性。直接时效热处理有效提升了 Al-Mg/Al-Mg-Sc层状复合合金的强度,尽管塑性有所下降,但相比单材料增材的Al-Mg和Al-Mg-Sc合金,Al-Mg/Al-Mg-Sc层状复合合金依旧展现出优异的强韧性。(4)研究了电弧熔丝增材制造Al-Mg、Al-Mg-Sc合金以及Al-Mg/Al-Mg-Sc层状复合合金的腐蚀行为。结果表明,在相同的腐蚀条件下,三种合金的腐蚀速率表现为:Al-Mg-Sc>Al-Mg/Al-Mg-Sc>Al-Mg。微观组织结构的差异导致了三种合金腐蚀行为的差异,Al-Mg-Sc合金更加细化的晶粒决定了其拥有更多的晶界,而耐蚀性能与晶界析出相β(Al3Mg2)相有关,β相与Al基体之间形成电偶腐蚀,会显著恶化合金的耐蚀性,导致其腐蚀情况最为严重,发生严重的开裂及剥落现象,耐腐蚀性最差。Al-Mg合金的耐蚀性最好,Al-Mg/Al-Mg-Sc层状复合合金则是介于两者之间。

关键词： Ti60合金   电弧增材制造   纵向残余应力   冷切削   热切削  

摘要： 航海制造业作为高新技术密集型产业,一直代表着世界各国制造业的发展方向,是一个国家制造业实力和国防工业现代化水平的综合体现,而航海高端装备的服役性能在很大程度上取决于构件性能。近年来,舰船中的燃气轮机整体叶盘的应用逐步发展,在整体叶盘的使用过程中容易发生叶片的损伤或折断,这时直接更换整体叶盘将造成极大的浪费,因此整体叶盘中叶片的修复对燃气轮机的使用具有重大意义。若能将损伤或损坏的叶片进行修复,将大大降低航海燃气轮机的成本,减少不必要的浪费,因此,本文以电弧增材制造作为修复手段,研究该技术在此背景下的相关性能。 本文以Ti60合金为材料进行电弧增材制造仿真与试验,分析温度场、应力场和变形的分布规律,研究增材形式、增材应力分布稳定性的沉积层高度以及较优的增材速度。基于仿真结果,确定了一种较优的工艺方案,用于加工Ti60合金增材构件,并研究其力学性能、显微组织和变形情况。在此基础上,进行冷、热切削仿真试验,对比不同切削方向下的应力场和变形情况,确定最优方案,并再次进行变形测试,验证方案的合理性。 本文通过研究电弧增材仿真,分析了温度场、应力场和变形的分布规律;电弧增材仿真的较优参数如:单道和双道并行增材所对应的峰值温度一致,说明单道电弧增材仿真可以来模拟双道电弧增材加工;沉积层数达到19层时,沿高度方向,沉积层应力分布趋于稳定;较为合理的增材速度为3mm/s。显微组织观察、硬度测试和拉伸测试发现,试样沿沉积方向出现了层带组织特征,构件硬度最大值为267.75HV,最小值为203.86HV以及平均值为232.69HV,沿沉积水平方向的抗拉强度高于沉积高度方向的,沿沉积高度方向的塑性延伸强度略低于沉积水平方向的塑性延伸强度,沿沉积高度方向的断面收缩率与沉积高度方向的断面收缩率相同;在冷切削仿真下,基座中冷切削后的纵向残余应力低于增材后的,增材时和冷切削时的Z向位移呈对称分布,基座冷切削时最大位移区域变小,横向切削对变形的恢复以及残余应力的重分布优化较好。在热切削仿真下,扇叶局部区域内出现应力突变的情况,其中纵向残余压应力最大值为250.1MPa,纵向残余拉应力峰值为953.2MPa,突变较为严重,热切削会使位移整体增大,不能起到优化变形的作用,纵向切削对变形的恢复以及残余应力的重分布优化较好;比较冷、热切削仿真较优结果的纵向残余应力和位移,确定冷切削对构件的残余应力和位移的重分布优化较好。按“电弧增材-冷切削”方案加工构件,结果表明合理。

关键词： 丝弧增材   同步锤锻   Al-Mg合金   微观组织   机械性能  

摘要： 丝弧增材制造技术（Wire arc additive manufacturing,WAAM）是将电弧作为热源来熔化丝材并逐层沉积的增材制造方式,相较于其他高能束流增材制造方式,其较低的设备成本、优异的材料灵活性和高的沉积效率使其更适合铝合金构件的制造。然而,电弧燃烧过程的不稳定性和大的热量输入会在WAAM过程中带来诸如气孔、应力与变形、粗晶及较低的机械性能等问题。基于锤锻方法的塑性变形辅助丝弧增材制造技术在解决这些问题方面具有较大的潜力。但现有的层间锤锻方式在获得大塑性变形时存在锤击力不足及锤击次数需求多等局限性。为了有效地解决这些问题,本文提出了同步锤锻辅助电弧增材技术,研制了一种适合WAAM增材的同步锤锻辅助增材装置,并制备了沉积态和锤锻态Al-Mg合金薄壁构件。针对潜在的再结晶不充分问题,对锤锻试样进行了热处理。探究同步锤锻辅助增材工艺和热处理工艺对微观组织及气孔影响规律,明确机械性能强化机理。本文的主要研究内容及结论如下: （1）自行研制了同步锤锻辅助WAAM装置,探索了WAAM Al-Mg合金、同步锤锻辅助WAAM Al-Mg合金工艺参数,包括成形电流、扫描速度、沉积策略、锤击介入距离、锤锻力及锤击频率等,为微观组织检测和机械性能分析提供基础。 （2）开展了同步锤锻辅助电弧增材实验,结果表明,同步锤锻辅助增材工艺仅需80 N锤锻力即可实现33.97%的大塑性变形量,且样件表面平整光滑,没有出现明显的失稳变形。同步锤锻辅助增材工艺晶粒细化等轴化、气孔抑制效果显著。80 N条件下,105.92μm的晶粒细化至37.15μm,降低了64.93%,气孔率仅为0.0065%。气孔数量、等效直径和表面积分别较沉积态下降68.33%、13.75%和67.24%。同步锤锻试样显微硬度较沉积态试样分别提高3.47%、10.52%和16.86%,最高可达91.97±2.39 HV0.2。屈服强度和极限拉伸强度最高可达250.37±26.74 MPa和315.03±4.60 MPa,且延伸率仍保持在36.11±1.20%。 （3）研究了热处理工艺对锤锻态试样显微组织及机械性能的影响,结果表明,经过热处理后,WAAM典型的层状特征消失,试样显微硬度分布更加均匀,最高可达83.86±1.61 HV0.2。横向极限拉伸强度和屈服强度较沉积态试样分别提高12.64%和7.32%,纵向分别提高9.29%和13.79%。热处理试样极限拉伸强度和屈服强度最高可达324.14±5.49 MPa和209.06±5.83 MPa,且仍保持22.83±2.87%的延伸率。