关键词： 电弧增材   层间温度   不锈钢   显微组织   力学性能  

摘要： 为了研究不同层间温度下增材制造结构的组织性能,以ER307不锈钢焊丝为填充材料,通过GMA电弧增材技术堆焊了双道多层薄壁墙结构,采用金相显微镜、显微硬度仪和扫描电镜对比研究了不同层间温度下电弧增材结构的显微组织及力学性能。结果表明,150℃和220℃两种层间温度下,试样的显微组织均由γ-Fe和δ铁素体组成,平衡凝固区显微组织纵向由底到顶分别为柱状晶、枝晶和等轴晶,其中等轴晶区域显微硬度较高;试样平均抗拉强度均大于600 MPa,纵向综合力学性能略高于横向,未出现明显各向异性。随着层间温度的降低,平衡凝固区底部区域柱状晶和顶部区域等轴晶尺寸逐渐减小,中部区域枝晶偏聚现象得到改善,相邻热影响区受枝晶连接且取向差异降低,显微硬度均匀性得到改善,纵向塑性、韧性有所提升,其中层间温度为150℃时,构件的屈服强度和延伸率较层间温度为220℃时分别提高29 MPa和4.3%。

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   高强钢   焊道形貌   拟合函数  

摘要： 通过试验系统性研究了冷金属过渡电弧增材制造时焊接速度与送丝速度对高强钢焊道几何轮廓的影响规律,利用光学显微镜表征不同工艺条件时焊道几何尺寸及截面轮廓特征。建立焊接速度、送丝速度与焊道轮廓间的关联关系,确定合适的工艺参数窗口。基于MATLAB软件平台编写包含图像处理、轮廓提取与曲线拟合等功能在内的成套程序,将焊道轮廓测量结果与抛物线、椭圆、圆与余弦函数等拟合模型进行比较。结果表明,相比焊接速度,送丝速度对焊道轮廓的影响更大。随着送丝速度的增加,焊道轮廓由窄高状变为扁平状。抛物线对于窄高状焊道拟合效果最佳,而当焊道截面呈扁平状时,椭圆模型与试验数据吻合程度最高,为后续电弧增材制造部件控形提供支持。

关键词： 马氏体时效钢   超声冲击   电弧增材制造   微观组织   力学性能  

摘要： 针对电弧增材制造马氏体时效钢存在粗大树枝晶微观特征导致较差力学性能的现象,采用超声冲击辅助电弧增材制造18Ni-350马氏体钢直壁体,研究超声冲击对微观组织、力学性能的影响。结果表明,超声冲击可以抑制粗大树枝晶形成,改变晶粒生长形态,细化晶粒。相比于直接沉积试样,超声冲击辅助试样中奥氏体的含量几乎不变,但其尺寸明显减小并更均匀。除此之外,直接沉积试样观察到Ni3Ti的析出相,而超声冲击试样中未观察到析出相。经过固溶时效热处理后,超声冲击件的微观组织产生再结晶现象,其横向、纵向抗拉强度分别达到2079.5 MPa和2109.5 MPa,极限伸长率达到6.95%。超声冲击试样的力学性能要优于直接沉积件,超声冲击对时效硬化响应效果更为显著。

关键词： 电弧增材制造   层间冷却   研究进展   近浸式主动冷却  

摘要： 电弧增材制造作为一种快速、灵活、高效的制造技术,广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。然而,由于加工过程中产生的高温对构件质量和性能造成不利影响,层间冷却技术成为解决这一问题的有效途径之一。对电弧增材制造中层间冷却技术的研究现状进行了综述。首先,介绍了电弧增材制造技术的基本原理和工艺特点,重点阐述了加工过程中产生的热应力、热裂纹等问题。其次,综述了目前常见的层间冷却技术,包括气体冷却、液体冷却和固体冷却等,对每种技术的原理、优缺点以及应用范围进行了分析和比较。最后,指出了当前研究中存在的不足之处,并展望了未来电弧增材制造层间冷却技术的发展方向。随着材料科学、传热学等领域的不断进步,层间冷却技术将更加智能化、高效化,为电弧增材制造的应用提供更广阔的空间。

关键词： 电弧增材制造   机器学习   多目标优化   2219铝合金  

摘要： 在电弧增材制造中,工艺参数之间存在复杂相互作用,难以寻找最优参数组合以获得最佳的成形质量与预期的几何结构。为了加速工艺参数优化过程,在3因素3水平全因素实验的基础上,明确了电流、送丝速度和扫描速度对熔道熔宽、熔高和稀释率的影响规律,建立了神经网络、支持向量机和高斯回归分析模型来预测熔宽、熔高和稀释率。对比分析表明,高斯过程回归模型对熔宽的预测性能最好,神经网络模型对熔高的预测性能最好,支持向量回归对稀释率的预测性能最好。基于这3种机器学习模型,采用多目标遗传算法(NSGA-II),实现了以熔宽和熔高最大、稀释率最小为目标的电弧增材制造多目标优化,最后对优化结果进行了实验验证。

关键词： 高氮钢   电弧增材制造   超音频脉冲电流   组织演变   力学性能  

摘要： 针对高氮钢增材过程中氮损失及力学性能降低等问题,采用常规脉冲熔化极气保电弧(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)及在脉冲电流峰值阶段叠加超音频脉冲电流的P-GMA对高氮钢进行电弧增材制造实验,分别制备不同工艺参数下的单道多层高氮钢直壁体,研究超音频脉冲电流叠加对高氮钢电弧增材制造凝固方式、显微组织演变及力学性能的影响规律。研究结果表明:由于高氮钢在电弧增材过程中存在氮损失现象,不同增材模式下高氮钢金属熔池的凝固模式均由单相奥氏体凝固(A模式)转变为铁素体为先析出相、奥氏体依附铁素体界面析出(FA模式);相比于常规P-GMA,叠加超音频脉冲电流后P-GMA产生的高频超声效应能够提高氮元素的扩散,促进奥氏体相变,限制铁素体枝晶生长;经过对比分析,超音频脉冲电流对铁素体树枝晶Y轴方向的影响大于Z轴方向,对Y轴方向力学性能的影响也大于Z轴方向,当频率为60 kHz时Y轴方向抗拉强度提高了9.9%,屈服强度提高了15.9%。

关键词： 激光淬火   增材制造   Ti6Al4V-Cu合金   腐蚀性能  

摘要： 激光淬火技术作为一项表面强化手段，目前已经广泛应用在提升金属材料强度与耐蚀性等领域。为了研究激光淬火对钛铜合金组织与性能的影响，采用新型丝粉协同电弧增材制造技术制备了不同wCu（2.4%和7.9%）的Ti6Al4V-Cu合金，然后对合金进行激光表面淬火处理。结果表明：随着wCu升高，网篮状结构更加精细；激光淬火后出现含有α-Ti细小等轴晶体的硬化层，形成细小马氏体结构和稳定致密钝化膜，有效阻止腐蚀性介质向合金内部渗透，显著提升合金的耐蚀性。

关键词： 电弧增材制造   丝粉同步沉积   Al-Si-Mg铝合金   成形精度   力学性能  

摘要： 因为缺乏匹配的商用化焊丝，多数铝合金的电弧熔丝增材制造（WAAM）发展受阻。本文作者采用丝粉同步电弧增材制造技术（WPAAM）制备Al-Si-Mg铝合金。基于AlSi12焊丝和纯Mg粉的同步沉积，采用WPAAM工艺得到薄壁墙的有效宽度相比基于AlSi12焊丝沉积的WAAM提高了61%，而且其加工余量减少了81%。Mg粉的添加有利于沉积组织中形成细化的等轴晶，使得WPAAM薄壁墙的平均晶粒尺寸减小至47.1μm，相对于WAAM的减小了23.8%。此外，Mg还能与Si元素反应生成新的Mg2Si强化相。力学性能测试结果表明，WPAAM沉积薄壁墙的抗拉强度和伸长率为174.5 MPa和4.1%，分别达到WAAM的92%和60%。

关键词： 电弧增材制造   残余应力   变形   测量技术   数值模拟   调控方法  

摘要： 电弧增材制造（wire arc additive manufacturing,WAAM）以电弧为载能束逐层熔化金属丝材，适合中大尺寸复杂金属构件的快速制造，因其成形效率高、制造成本低、材料利用率高等优势，在航空航天、国防领域具有广阔的应用前景。残余应力与变形调控是推进金属构件WAAM高效、高质量发展与应用必须解决的关键科学与技术难题。本文探讨了WAAM残余应力与变形的产生机制及影响因素，分析对比了残余应力与变形的实验测量与数值模拟方法，并对WAAM沉积前、中、后不同阶段控制残余应力与变形的方法进行了系统总结。最后指出数值模拟、机器学习、现场诊断及控制是未来WAAM残余应力与变形调控的重点研究方向。

关键词： 电弧增材制造   外场辅助   复合超声   高强铝合金   镍基高温合金  

摘要： 电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)作为一种低成本、高加工效率的先进制造技术,近年来发展迅速。高强铝合金和镍基高温合金因其独特优势,在航空航天领域得到了广泛应用,而且适合用电弧增材制造制备,受到了国内外学者的广泛关注。然而,电弧增材制造高强铝合金和镍基高温合金易产生气孔、柱状晶粗大,严重制约了其广泛应用。本文以固溶时效型ZL205A铝合金和IN718高温合金为研究对象,提出利用激光冲击和复合超声外场辅助改善其组织结构和力学性能,系统研究了外场辅助对电弧增材制造组织与力学性能的影响规律,揭示了其微观机制,不仅在各自合金中实现了显著的组织细化和性能提升,还通过对比分析外场辅助在两类材料体系中作用机制的异同,为外场辅助技术的普适性与适用条件提供了有力佐证。论文取得了以下创新性研究成果: (1)随热输入的增加,电弧增材制造ZL205A单道单层平直度降低、高度和宽度增加,组织以等轴晶为主,其尺寸随热输入和送丝速度的增加而增大;薄壁组织为α-Al基体和主要沿晶界分布的链状θ相,层内等轴晶细小均匀,层间大小不均。CMT脉冲模式可使尺寸精度提高9.9%,气孔减少59.9%,晶粒尺寸减小26.8%,抗拉强度提高18.7%;固溶时效可回溶θ相并析出θ'相,随固溶温度、时效温度和时效时间增加,强度先增加后减小;随固溶时间延长,强度降低。最佳工艺为535℃x10 h+175℃x4h。 (2)计算了激光冲击辅助电弧增材制造ZL205A薄壁残余压应力并用实验验证了其可靠性,残余压应力与峰值压力和冲击次数正相关,与光斑直径负相关;激光冲击增加表面粗糙度和位错密度,随激光能量增加作用效果增强;沿深度方向,随激光能量增加,晶粒细化程度、气孔闭合范围和位错密度提高。18 J时激光冲击效果最佳,气孔闭合深度达到1.33 mm,最表面晶粒尺寸降低12.6%、位错密度高达6.96×1014/m2;梯度硬度及其作用深度、抗拉强度与激光能量正相关,18 J时硬度最大值和抗拉强度分别为165 HV和489 MPa;疲劳寿命提高129.8%。 (3)提出了一种原位超声振动+层间超声冲击的复合超声辅助技术,成功研制并搭建了电弧增材复合超声辅助装置。随超声振幅的增加,复合超声对电弧增材制造ZL205A气孔消除效果显著增强,振幅为80 μm时,可获得无缺陷薄壁。复合超声有效减小晶粒尺寸和θ相含量,使顶部位错密度提高128.8%;抗拉强度和延伸率分别提高12.2%和12.9%,达到511 MPa和11.6%。 (4)电弧增材制造IN718组织为柱状晶γ基体、沿枝晶间分布的Laves相和少量δ相、MC碳化物。单道单层成形铺展度比ZL205A优异,宽度随热输入增加而增大,高度先降低后升高,组织均匀性先增加后减小;随热输入增加,薄壁尺寸精度、抗拉强度先增后减,硬度增大,最佳热输入为100 J/mm,横向和纵向抗拉强度分别为776MPa和791 MPa;固溶时效可有效回溶Laves相并析出γ"/γ'相,最优工艺为1100℃×60 min,横向和纵向抗拉强度分别可达1163 MPa和1288 MPa,延伸率分别为18.2%和20.7%,各向异性明显,纵向具有细小的截面晶粒、较低且分布均匀的Schmid因子、更高的应变硬化指数,表现出了比横向更高的强度。 (5)激光冲击辅助电弧增材制造IN718薄壁残余压应力和作用深度均与峰值压力和冲击次数正相关,随光斑直径增加,残余应力波动先减小后增加;激光冲击可诱导孪晶和层错,但柱状晶细化不显著,随激光能量和冲击次数增加,位错密度和硬度及其作用深度增加,抗拉强度和疲劳寿命先增加后降低,最佳工艺为15 J×3次,抗拉强度为1356 MPa,疲劳寿命提升84.7%。 (6)随原位超声振动振幅增加,电弧增材制造IN718柱状晶择优生长减弱,随层间超声冲击振幅增加,再结晶驱动力上升,最佳振幅均为80 μm,复合超声成功使晶粒由粗大柱状晶转变为交替分布的等轴晶和短柱状晶,固溶处理可使其完全等轴化;复合超声结合固溶时效处理,使室温抗拉强度和延伸率同时显著提高,分别高达1395 MPa和25.3%,650℃抗拉强度和延伸率分别达到1111 MPa和12.3%,综合拉伸性能显著高于目前其他增材制造,疲劳寿命提高5.0倍;复合超声辅助通过破碎枝晶和引入高密度位错,实现了晶粒等轴细化,提高了组织均匀性,消除了组织和力学性能的各向异性,使Taylor因子和应变硬化指数显著提高,实现了对强度与塑性的协同提高。