关键词： 离心再生机   电弧增材制造   微观组织   力学性能   摩擦磨损  

摘要： 在铸造领域中,砂型铸造约占铸造生产的60～70%,具有生产工艺简单、成本低、适用合金种类广泛等特点。自17世纪以来,砂型铸造生产中的造型材料仍以铸造型砂为主,铸造旧砂一直是铸造行业产生的主要废弃物之一,因此对于铸造旧砂的综合开发与利用受到了世界各国的广泛关注。目前铸造旧砂最常用的再生方法是以旧砂干法机械再生为主,所采用的旧砂离心再生技术应用广泛。该旧砂再生过程中,旧砂对设备存在明显的冲击行为,造成设备关键部件的磨损,影响设备的稳定运行寿命。设备关键耐磨部件的材料为铸造生产的白口抗磨铸铁（BTMCr26）,受材料特性的影响以及存在着铸造缺陷,使得铸件的力学性能较差,耐冲击磨损能力较低,无法保证设备的长期稳定运行。为解决以上问题,本文采用EDEM仿真软件对离心再生机关键部件工作过程进行离散元仿真分析,分析设备在工作过程中易于受到磨损的部位,对离心再生机结构进行优化。针对设备中易于磨损的部位以及可能的失效方式,提出了一种具有梯度结构的离心再生机撞击板部件,芯部为碳钢材料,外部为高铬铸铁耐磨层,采用电弧增材制造（WAAM,Wire Arc Additive Manufacture）的方式进行增材制造。通过开展正交试验确定了试验过程中增材电流、热丝电流、增材速度、送丝速度对宽高比和熔深影响的主次规律,最后通过热丝辅助电弧增材制造技术进行碳钢芯板以及外层耐磨层的制备,并对微观组织、力学性能及耐磨性能进行了试验探究。通过对铸造砂离心再生机进行离散元仿真分析发现,离心再生机易于磨损的部位出现在撞击板倾斜内侧以及倾斜内侧的下档圈内表面,表面法向累计接触能量要明显高于切向累计接触能力,说明下挡圈的磨损主要由冲击磨损造成,而滑动磨损作用相对较弱,针对磨损部位以及磨损方式对离心再生机进行结构改进。利用ANSYS有限元分析对撞击板零件进行静力学仿真分析,分析梯度结构设计、改变撞击板碳钢芯板与下挡圈接触位置对于撞击板叶片的应力变化情况。通过热丝TIG电弧增材制造技术开展系列试验,利用极差分析方法确定了试验因素对于指标影响的主次规律,通过的焊缝表面形貌进行观察以及对截面形貌进行测量,获得最佳的增材工艺参数。使用得到的最佳参数进行温度场采集,改变电流作用于主弧与热丝中的分配,研究了增材过程中不同的电流分配对于基板温度的影响规律。通过热丝TIG电弧增材制造撞击板碳钢芯板,并对其微观组织、沿增材方向的硬度变化以及不同取向增材零件的力学性能进行了研究分析。结果表明,先前焊道以等轴的铁素体晶粒为主,顶层焊道以粗大的柱状晶以及枝晶为主。芯部增材零件的维氏硬度范围170～200Hv,最高的硬度出现在增材零件顶层位置。增材零件在横向和纵向表现出相似的抗拉强度,拉伸断口存在大量的韧窝,表现为韧性断裂特征。通过TIG电弧增材制造外部耐磨层,研究电弧增材对于耐磨层的微观组织、物相组成、硬度以及耐磨性能的影响。结果表明,耐磨层的微观组织主要由奥氏体基体,M7C3型碳化物组成,并含有少量的马氏体组织。随着距基体距离的增加,微观组织由枝晶状向束状组织转变。电弧增材制造耐磨层洛氏硬度为64.2HRC。对耐磨层进行动载磨料磨损试验,随着冲击能量从1J增加至5J,耐磨层在单位滑动距离内的磨损率明显上升,磨损率从0.214mg/mm增加至0.643mg/mm,磨损形式由微观切削磨损向微观剥落及疲劳磨损发生转变。对耐磨层进行冲击磨粒磨损试验,随着冲击角度和冲击时间的增加,耐磨层的质量损失增加,磨损最严重时出现在冲击角度为90°,冲击时间为40min时,质量损失为0.162g,相比于Cr26材料,质量损失减小约26.5%。随着冲击角度的增加,石英砂磨粒对耐磨层的磨损形式由微观切削向材料断裂脱落以及剥落坑转变。

关键词： 5183铝合金   电弧增材制造   冷金属过渡   组织性能  

摘要： 为了满足全球节能减排需求,轻质结构的发展已成为航空、高铁、汽车等高端交通制造领域的重要内容。铝合金具有低密度、高比强度、高韧性、高导热系数和低温性能好等优点,在各类运输设备中的占比越来越高,Al-Mg合金的增材制造技术具有广阔的工程应用前景。当前金属增材制造使用的热源通常是能量密度较高的激光,但铝合金会对激光产生高反射率,致使激光能量利用效率较低,而采用电弧作为热源可以规避这个问题。基于冷金属过渡技术的电弧增材制造(CMT-AM),具有热输入低、飞溅小、成形速度快等特点,尤其适用于铝合金焊接领域。 目前CMT-AM制造铝合金仍存在成形精度差、力学性能不高等问题。为探究CMT焊接工艺对5183铝合金增材制造成形的影响规律,本文进行5183铝合金增材制造实验。利用CMT增材制造设备,通过改变焊接方法、调整焊接工艺参数,对5183铝合金的成型工艺进行改进,并对增材制造试样的组织与性能进行表征。揭示不同部位沉积态晶粒组织的变化过程,进一步改进5183铝合金的成形工艺,获得表面精度高、力学性能好的铝合金构件。 首先进行单层单道铝合金成形试验,以探索工艺参数对铝合金焊缝成形尺寸精度的基本规律。结果显示相同的工艺参数下CMT+ADV成形焊缝具有表面成形良好、鱼鳞纹密集、成形的宽度和高度适中等特征,能得到成形理想的单层焊缝。 进一步以单层焊缝的工艺参数为基础,增材制造5183铝合金薄壁构件。在堆焊过程中,采取控制层间冷却时间与递减热输入的策略,可以有效地缓解增材过程中的热累积。采用CMT+ADV、CMT+P两种焊接模式,CMT+ADV所得沉积试样其顶部区域与中下部区域在宏观上具有明显不同的特征,中下部是试样的主体区域,分布着等距离间隔的亮纹,顶部面积较小,相当于3到4层亮纹所包含区域;顶部区域的晶粒呈树枝状,表面有少量气孔生成,而中下部区域呈等轴晶,晶粒轮廓清晰,并沿沉积高度方向逐渐长大,不同沉积层的组织较为均匀,但单个沉积层层间与层内组织差异较大;增材试样的抗拉强度和断后延伸率最高可达248.3MPa、19.29%,分别达到同型号铸态铝合金的78.5%和96.5%。水平方向拉伸试样的断口表现为韧性断裂,竖直方向拉伸试样断口表现为准解理断裂。

关键词： 电弧增材制造   高强钢   微观组织   力学性能   温度场   机器学习  

摘要： 电弧增材制造技术具有沉积效率高、材料利用率高、成本低、周期短等优点,适合直接制备大型金属构件。积累电弧增材制造高强钢的成形、微观组织和力学性能相关数据,有利于拓展其进一步应用。本文以GHS-90高强度低合金钢焊丝为原材料,研究了不同工艺参数下电弧增材制造薄壁件成形、微观组织与力学性能的变化规律。在此基础上,探究了等温热处理工艺对薄壁件微观组织与力学性能的影响。针对电弧增材制造过程中高温区实时温度数据测量困难的问题,建立了高强钢有限元模型,深入分析了高强钢成形样件坍塌层数与温度场的变化规律,利用机器学习算法模型建立电弧增材制造工艺参数和高强钢成形几何特征参数的关系。研究了不同层间温度工艺参数对高强钢薄壁件成形外观、微观组织、力学性能的影响规律。结果表明,层间温度为150℃的样件相对工艺性良好。沉积层的组织由铁素体、贝氏体和M-A组元组成。样件底部和顶部组织的不同导致显微硬度出现差别,底部区域硬度略低于顶部区域(～16 HV)。样件的抗拉强度范围为886.5MPa～1065.5 MPa,伸长率范围为6.8%～16.2%,其横向抗拉强度和伸长率均高于纵向。纵向试样断裂前出现了明显的分层现象,并在熔合区域断裂。横向试样断裂前没有分层现象出现。探究了不同等温热处理对电弧增材制造高强钢薄壁件成形质量、显微组织和力学性能的影响。结果表明,样件在200℃热处理后下不同区域晶粒的大小、取向和分布相似。显微组织主要为贝氏体。平均显微硬度有所上升,底部(～38.0 HV),中部(～25.1 HV)。各区域横向和纵向伸长率之差下降,最大由34%下降到14%之内,最小可到7%。纵向试样的分层现象不明显,断裂区域由熔合区向非熔合区发生了迁移。利用有限元方法研究了电弧增材制造高强钢的坍塌层温度场。结果表明,沉积长度长的沉积层具有更大的传热范围,前一层端点的冷却时间更长,即随着沉积长度的增加,成形样件的坍塌层数增加。建立的随机森林模型能够准确预测坍塌层数。

关键词： 电弧增材制造   工艺参数   传热传质   变位磁场   数值模拟  

摘要： 电弧增材制造技术是金属增材制造技术中的一个重要分支,因其成本低、沉积率高、材料利用率高等优点,在造船、交通、航天、核工业等领域的大中型零件的快速制造方面具有较为广泛的应用前景。但电弧增材制造工艺所涉及的工艺参数较多,且成形过程伴随有电、力、磁、热等多种物理场的耦合作用,从而导致其传热传质过程较为复杂。常规的实验方法难以对其传热传质过程进行实时、动态的原位观测,而数值模拟则是实时再现其真实物理过程的一种有效途径,是探究其内在成形机理的一种有效方法。本文主要采用数值模拟与实验结合的方法,建立电弧增材连续熔积过程中传热传质仿真模型,对电弧增材及磁控电弧增材过程中的传热传质过程进行研究,探索其成形规律及内在机理。首先,建立了电弧增材单道连续熔积的数值模型。对电弧增材单道熔积成形的传热传质过程进行数值模拟,分析熔积起止时刻熔滴过渡、熔池流态和焊道成形机理。并进行相同工艺条件下的验证实验,将试验所得焊道轮廓与数值模拟结果进行对比,验证了数值模型的有效性。其次,基于二次回归方程,建立了电弧增材制造过程中焊接电流、送丝速度和焊接速度与焊道高度和焊道宽度之间的数学模型,研究上述工艺参数对成形焊道尺寸的影响规律。同时,基于数值模拟方法研究了焊接电流对电弧增材熔池流动和焊道成形过程的影响,分析其内在机理,为电弧增材过程中工艺参数的选取提供理论依据。并进行相同工艺条件下的验证实验,将试验所得焊道轮廓与数值模拟结果进行对比。最后,通过数值模拟方法研究了外加变位磁场对电弧增材制造传热传质的影响。求解外加变位磁场的标量方程,并对比了不同变位磁场角度和磁场强度对熔池电磁力分布的影响。同时,建立磁控电弧搭接熔积成形仿真模型,探究了不同变位磁场角度和强度对电弧搭接成形过程中熔池流动及焊道成形的影响。结果表明,在当前试验条件下,取外加变位磁场角度为45°,磁场强度为0.015T时,能有效减小熔深,并提升搭接成形的平整度,故合理施加外加变位磁场可以提高成形精度。

关键词： 电弧熔丝增材制造   层间主动冷却   数值模拟   成形机理   熔池物理特性  

摘要： 电弧熔丝增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)具有设备成本低、制造效率高等优势,获得航空航天、舰船、武器装备等领域高度青睐。但是由于沉积过程的热积累容易导致结构成形效率、成形精度及成形质量下降,尤其是对大尺寸零部件结构,因此该技术的广泛应用仍面临巨大挑战。层间主动冷却技术是一种能够控制沉积形貌和性能的有效方法,本文采用气固混合CO2作为层间冷却气体,对不同冷却参数下电弧熔丝增材制造钛合金成形过程的温度场、应力场和熔池流场进行实验测量与模拟分析,研究结果将为制造大尺寸钛合金金属零部件的控热控形提供理论参考。本文研究内容主要包括:(1)展开不同层间冷却工艺参数下成形温度场与应力场分布研究。结果表明:层间主动冷却通过增加沉积表面的对流换热,降低高温区域和沉积整体温度,从而减小沉积的热积累效应。层间主动冷却的快速散热可以缩短层间等待时间,能将薄壁结构的沉积时间缩短80%,提升了整体增材效率。与自然冷却相比,层间主动冷却下成形结构的残余应力和变形分别降低10%和43%。此外,通过增加层间冷却气体流速、减小沉积时间及冷却时间都会增强冷却效果,从而进一步降低成形结构的残余应力和变形。值得注意的是,与增大层间冷却气体流速相比,同时减小沉积时间和冷却时间的作用效果更明显,实验结果与模拟结果吻合良好。(2)展开不同层间主动冷却条件下沉积热积累对熔池温度场与流场的影响研究。结果表明:不同层间冷却气体流速下,熔池温度场和流场变化趋势总体相似,呈现低表面张力区域流向高表面张力区域的流体循环过程,在熔池中形成Marangoni环流。熔池变化由沉积产生的热积累效应,从而进一步产生的预热温度引起,主要表现在熔池内流体的流量及流动速度不同。与自然冷却相比,层间主动冷却能够降低熔池温度,降低熔池流体流动速度,从而限制流体的流动范围、影响熔池尺寸。模拟结果表明,通过层间冷却熔池流体流动速度最大可降低45%。本文以数值模拟为研究方法并结合实验验证,对层间主动冷却条件下电弧熔丝增材制造钛合金成形过程温度场、应力场和熔池流场的演变展开分析,揭示了成形机理和熔池物理特性,为大尺寸零部件形性控制提供理论依据与技术支撑。

关键词： 电弧增材   旋转电弧   成形特性  

摘要： 熔化极电弧增材制造方法具有成本低、沉积效率高、可在短时间内制造大型金属构件等优点，已得到广泛应用。然而，该方法存在热输入大、电弧热量分布不均等特点，易导致成形件的道间熔合不良、表面平整度差、层间重熔过多等成形质量问题。针对以上问题，本文利用旋转电弧热作用区域大、热量分布均匀的特征，将其应用于增材制造中，提出一种基于熔化极旋转电弧的增材制造方法，深入探究了该方法的电弧形态、熔滴过渡行为及熔融金属搭接行为等物理过程，并探索了该方法在不同工艺参数下的成形质量及成形特性，为熔化极旋转电弧增材制造方法的应用提供依据。　　首先探究了旋转电弧增材制造的电弧形态及熔滴过渡行为，其电弧作用区域比常规电弧更大且电弧作用位置周期性变化。随着旋转频率在5~15Hz范围内增加，熔滴过渡形式并未发生改变，熔滴过渡位置逐渐集中于熔池末端，使熔滴过渡频率逐渐增加、熔滴尺寸逐渐减小。其次，探索了各工艺参数及其耦合作用对单沉积道成形质量的影响，得到了旋转电弧增材制造的工艺窗口;并研究了沉积道成形尺寸随各工艺参数的变化关系。结果表明，在7m/min的大送丝速度、120~300mm/min行走速度下，沉积道依然成形良好。随着旋转频率在5~15Hz范围内增加，沉积道宽度逐渐减小、高度逐渐增加、熔深逐渐增加。　　研究了旋转电弧增材制造方法的沉积层成形特性，电弧周期作用于前一沉积道，提升了熔融金属的铺展能力，沉积层的道间熔合效果好、表面平整度得到改善且沉积层熔深显著减小。随电弧旋转频率在5~15Hz内增加，横向热传导受到了抑制，道间热影响区缩小，熔融金属向前一道的铺展能力下降，表面平整度会逐渐变差，熔深会逐渐增加。结果表明，采用旋转频率为5Hz的旋转电弧方法时，沉积层表面平整度最佳，仅为常规电弧方法的30%，并且熔深最小，仅为常规电弧方法的49%。　　为验证本文所得到的理论，分别采用常规电弧和旋转电弧增材制造方法对多层单道直壁件和多层多道阶梯件进行增材制造。结果表明，采用旋转电弧增材方法的直壁件成形良好、宽度均匀;沉积有效率达到94.3%，较常规电弧方法提升了12.9%;侧面波纹度为0.67mm，仅为常规电弧方法的21%。采用旋转电弧增材方法的阶梯件层间结合紧密且重熔深度小;各层的表面平整度均优于常规电弧方法，各沉积层之间的最大宽度差为1.86mm，仅为常规电弧方法的39%。旋转电弧增材制造方法实现了在保证成形效率的同时有效改善了成形件的成形质量。

关键词： 电弧增材制造   镍基高温合金   合金化   显微组织   力学性能  

摘要： GH4169D镍基高温合金被誉为下一代通用型超合金,具有强度高、耐腐蚀、焊接性好等诸多优点,被广泛应用到航空发动机和涡轮机叶片的制造中。新一代整机叶盘的一体式结构,使得叶片的维护成本明显升高,因此,发展叶片修复技术对于推进整机叶盘的大规模应用具有重要意义。目前,针对GH4169D镍基高温合金电弧增材修复的研究表明,制约修复件性能的关键问题在于以下两点:Laves相的大量析出为裂纹萌生扩展提供了有利场所;沉淀强化元素Nb、Al被Laves相消耗而使得强化效果不足。本文通过层间填粉的方式进行电弧增材修复合金化研究,从调控Laves相、补充沉淀强化元素和复合合金化三个角度出发,增材层间利用刷涂方式添加钒、铜、钨、钽四种金属粉末,对沉积态和热处理态的组织性能进行了研究,为开发GH4169D电弧增材修复用焊丝提供依据。 从调控Laves相的角度考虑,研究了钒、铜单独添加对沉积态与热处理态修复接头组织性能的影响。钒的添加会使得沉积态组织中Laves相含量升高,Laves相形态由典型共晶态转变为离异共晶态,钒对Laves相的溶解有一定的促进作用,但由于沉积态Laves相含量较高,热处理后组织中的Laves相含量仍高于常规热处理后GH4169D焊丝沉积体。钒的强化作用较弱,热处理后主要分布在基体中,钒使得热处理态修复接头的抗拉强度略有降低,但钒可以通过提高堆垛层错能的方式,促进交滑移的发生,改善修复接头的塑性。铜的添加会显著降低沉积态组织中Laves相的含量,且铜的添加量较低时,抑制作用最明显,铜的添加量较高时,会显著促进Laves相溶解,使得中温固溶后组织中的Laves相含量达到原成分组高温固溶后的水平,但是铜对修复接头的力学性能存在不利影响,其强化效果较弱,会降低接头的抗拉强度,同时铜会降低堆垛层错能,抑制交滑移,放大Laves相的硬脆属性,使接头的塑性有所降低。 从补充沉淀强化元素的角度出发,研究了钨、钽单独添加对沉积态与热处理态修复接头组织性能的影响。钨的添加对凝固末期的Laves相共晶反应没有产生明显影响,但钨会显著阻碍原子扩散,抑制Laves相的溶解,使固溶热处理的温度必须升高,硬度测试结果表明,钨的加入没有显著提高沉积区的硬度,没有产生明显的强化效果,此外,由于钨的熔点明显超过了GH4169D镍基高温合金的沸点,钨合金化修复接头中存在一定数量的钨夹杂,修复接头的性能因此明显降低。钽加入后,沉积态Laves相的含量没有明显升高,但钽会提高TCP相的稳定性,提高Laves相的溶解温度,同时促进有害相η相的析出,硬度测试结果表明,钽添加后,沉积区的硬度显著上升,钽具有良好的强化效果,钽的添加使得热处理态修复接头的抗拉强度上升,但钽的添加量过高时,沉积区中同样会出现未充分熔化的钽颗粒夹杂。 进行了钒铜钽复合合金化的研究。钒铜复合添加时,沉积态和热处理后Laves相的含量可以明显降低,同时钒对沉积体的增塑作用强于铜增大Laves相硬脆属性的作用,更少、尺寸更小的Laves相和塑性变形能力更好的基体使得钒铜修复接头的塑性得到了锻件水平,但由于钒铜的强化效果弱,修复接头的抗拉强度进一步降低;钒铜钽复合添加时,钒铜对于Laves相的溶解的促进作用使得钽合金化修复接头可以在1025℃下进行固溶热处理,且热处理后Laves相的平均尺寸显著降低,达到了常规GH4169D焊丝沉积体1075℃固溶热处理后的水平,修复接头的延伸率为14.63%,可以达到锻态GH4169水平,而其抗拉强度相比于常规焊丝修复接头提高了20MPa,可以达到1245MPa。

关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡   镁合金   微观组织   力学性能   成形质量  

摘要： 镁合金作为目前最具应用潜力的轻质金属结构材料,具有高比强度,高比刚度和减震性好等优点,有助于实现工业领域的轻量化。镁合金塑性变形能力较差,利用传统的铸锻技术成形镁合金存在诸多困难,无法满足工业领域对大尺寸、结构复杂镁合金构件的制造需求。电弧增材制造技术具有低成本、高效率等特点,采用具有低热输入特征的冷金属过渡(CMT)焊接电弧有助于实现大尺寸镁合金构件的增材制造。因此,本文基于CMT焊接电源并采用AZ31镁合金丝材进行镁合金电弧增材制造技术的应用基础研究。通过改变摆弧参数和焊接速度进行实验,研究单道单层及单道多层试样成形质量、微观组织和力学性能,并从中选取最优参数,研究镁合金电弧增材制造单道多层试样、多道多层试块和复杂圆筒状零件的成形质量及力学性能。主要结论如下:(1)AZ31镁合金电弧增材制造时,摆弧可提升单道多层试样的成形质量。适当的摆弧参数可有效增加熔池的流动性,提升单道单层试样的宽高比并降低接触角,在摆宽10 mm摆长4mm时单道多层试样的成形质量最好。调整焊接速度会改变熔覆量,在焊接速度5和7mm/s可以顺利成形单道多层试样,而焊接速度3、9和11 mm/s无法成形。(2)试样微观组织在热循环下形成三种不同晶粒尺寸的区域,分别为沉积区、重熔区和热影响区。摆弧提升了熔池的搅拌作用,并增加了冷却速率,使晶粒细化,沉积区和热影响区的晶粒尺寸分别减小了 12.3%和13.9%。增加焊接速度会降低热输入,焊接速度从3增加到7 mm/s时沉积区晶粒尺寸减小了47.5%。(3)调整摆弧参数可以消除单道多层试样力学性能的各向异性。在摆宽10 mm摆长4 mm的参数下,建造方向上抗拉强度和伸长率相对于无摆弧分别提升了6.2%和60%。在焊接速度为7mm/s时,其抗拉强度和伸长率最优,在焊接速度9mm/s的时候伸长率为12.5%,相比于焊接速度7 mm/s的试样,其伸长率下降近50%。(4)在材料为1.2mm AZ31镁合金焊丝,参数为送丝速度9m/min,电流100A,电压14.3 V,摆宽10 mm摆长4 mm,焊接速度7 mm/s的条件下,电弧增材制造的成形质量最优,晶粒尺寸最小,力学性能最优且无各向异性,建造方向和扫描方向上的抗拉强度分别为239 MPa和239 MPa,伸长率分别为24%和25%。(5)多道多层试块、高单道多层试样和复杂圆筒状零件均可成形,多道多层试块的成形质量较差,需要优化路径和调整焊枪角度以获得更佳的成形质量。多道多层试块在建造方向、扫描方向和搭接方向三个方向上力学性能均表现为各向同性。

关键词： 电弧增材制造技术   再制造   316L不锈钢   组织演变   力学性能  

摘要： 316L奥氏体不锈钢的是继304不锈钢之后又一种被广泛使用的不锈钢材料,因其具有无磁性、良好的耐腐蚀性以及耐热性等特点,广泛应用于海洋船舶、石油化工等领域。目前,大量因局部损坏而报废的316L不锈钢零部件,由于受到修复技术的限制,受损件只能重新熔化、铸造、再加工,不仅提高了生产成本,而且还降低了加工效率。增材再制造技术作为替代方案,可以为因局部受损而失效的零件带来一种高效率、低投入的修复方法。电弧增材制造技术作为增材制造技术的一种,在焊接技术的基础上开发而来,该技术除了具有成形效率高、制造成本低、生产周期短等优点,还拥有不受零件尺寸影响和原位制造能力,可用于修复大型零件。但现有研究主要集中在电弧增材直接成形整体零件上,而对于在传统方法制造的316L不锈钢基体上再成形316L不锈钢材料的研究比较少,因而利用电弧增材制造技术修复零件的可行性证据仍然不足。本文对在传统方法制造的316L基板上进行电弧增材再制造同种材料的过程进行了研究。首先,通过电弧增材单层单道焊道实验确定曲面响应、数值模拟和成形实验的电流强度和焊接速度范围。基于Minitab数据分析统计软件,对电弧增材再制造的输入参数和成形特征进行曲面响应实验。将电流强度和焊接速度作为响应因子,将焊道的熔深、熔宽和余高作为试验指标,以研究电流强度和焊接速度对焊道熔深、熔宽和余高的影响规律,并获得电流强度和焊接速度与焊道熔深、熔宽和余高之间的双向预测模型然后,基于Comsol有限元分析软件的固体传热和固体力学模块,采用移动热源和生死单元法技术,利用热-力学物理场耦合建模方法,建立了电弧增材再制造过程的有限元模型,以获取不同电流强度下316L电弧增材再制造过程中的温度场和应力场分布规律。最后,通过实验的方法,利用万能拉伸试验机、金相显微镜以及扫描电子显微镜等设备,对不同电流强度下成形的样件以及固溶处理后通过不同方式进行冷却的样件进行观察和检测,以研究不同成形参数和固溶处理后的不同冷却方式对电弧增材再制造修复件的力学性能和微观组织的影响规律。

关键词： ZM5镁合金   电弧增材制造   显微组织与性能   热处理  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)作为一种先进的制造技术,以金属丝材为原材,以电弧为热源进行加工,具有加工自由度高、成本低、加工速度快等优点,非常适合镁合金的加工制造。本文采用Φ 1.2mm的ZM5镁合金丝材为原料,分别在送丝速度为7～13 m/min、焊接速度为5～11 mm/s条件下,对比研究送丝速度、焊接速度对WAAM-ZM5镁合金成形性、组织与力学性能及耐蚀性能的影响规律,并优化最佳工艺;结合热处理工艺参数调整,探索WAAM-ZM5镁合金力学性能提高的途径。本文主要结论如下:(1)WAAM-ZM5镁合金主要由β-Mg17Al12相和α-Mg基体组成,其中β相以不连续网状沿晶界分布,组织均为等轴晶。在单道壁打印过程中,随着打印高度的增加,热传导效应减弱,热对流、热辐射效应增强,冷却速率降低,熔池内积聚更多的热量,使得自单道壁底层道顶层,组织呈长大趋势,β相析出减少,显微硬度逐步降低。由于已沉积层表面在电弧热的作用下局部积累较多的热量,层间组织呈现粗化倾向,导致单道壁自下而上硬度出现规律性波动,硬度峰值位于层内细晶区,硬度谷值位于层间粗晶区。(2)随送丝速度增加,单道壁晶粒尺寸、耐蚀性逐渐增大,表面质量和拉伸性能先提升后降低,在9 m/min时,单道壁表面平整光滑,形成致密的鱼鳞纹,拉伸性能最佳;热输入逐步增大时,熔池内积聚热量增加,晶粒尺寸呈长大趋势,已沉积层通过短暂的原位热处理,有利于促进Al元素的均匀化分布,有效遏制了β-Mg17Al12相连成网状分布的可能。(3)焊接速度增大,β-Mg17Al12相析出增多。当焊接速度为5～7mm/s时,组织细小,当焊接速度为7～11 mm/s时,热输入基本达到热平衡,晶粒尺寸保持不变;单道壁尺寸逐渐减小,表面质量、耐蚀性、力学性能均呈现先增大后减小的趋势。当焊接速度为7 mm/s、送丝速度为9m/min时,WAAM-ZM5镁合金各项数据指标表现最佳,耐蚀性最优,其水平、竖直方向抗拉强度分别为287MPa和281 MPa,屈服强度分别为135 MPa和129 MPa,伸长率分别为16.0%和14.5%。(4)经过400℃×0.25 h+180℃×2 h热处理后,不仅消除了WAAM增材过程中的残余应力,且WAAM-ZM5镁合金基体组织未出现明显粗化,β-Mg17Al12由不连续的网状分布转变为点状弥散分布,降低了晶界处对位错运动的阻碍作用。其强化机制主要为Orowan强化,合金的拉伸性能得到显著提高,水平方向抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为304 MPa、138 MPa和20.0%,竖直方向抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为297 MPa、130 MPa 和 19.5%。400℃×0.25 h+180℃×4 h 处理后,β-Mg17Al12 出现偏聚,呈块状分布在α-Mg基体中,拉伸性能提升效果有所降低。