关键词： 7075铝合金   电弧增材制造   碳化钛   纳米颗粒   微观组织  

摘要： 相比于其他增材制造技术，电弧增材制造技术在成形效率、材料利用率、零件结构尺寸等方面具有无可比拟的优势，因而在航空、航天、船舶等领域具有广泛的应用前景。但铝合金在电弧增材制造中的组织粗化和力学性能差等问题仍未得到较好的解决，而在电弧增材制造添加纳米颗粒可以有效细化晶粒组织，改善增材件力学性能。本课题的研究可为TiC纳米颗粒增强7075铝合金的电弧增材制造提供理论指导依据，对我国航空航天领域的发展具有重要意义。　　本文首先对铝合金电弧增材制造成形进行了研究。研究了焊接参数对7075-TiC铝焊丝单道单层焊接成形的影响，研究了增材路线和层间等待时间对7075-TiC铝焊丝单道多层增材成形的影响。此外，还使用7075铝焊丝进行单道多层增材实验，以研究纳米颗粒对铝合金单道多层增材成形的影响。　　其次，对铝合金电弧增材制造实验件的微观组织进行了研究。研究了焊接参数对7075-TiC铝焊丝单道单层焊接实验件微观组织的影响，以及热处理对7075铝焊丝和7075-TiC铝焊丝单道多层增材实验件微观组织的影响。分析认为，TiC纳米颗粒在液态金属熔池中可以促进液态金属熔池形核，使得晶核数增多，从而起到细化晶粒的作用。　　最后，对有7075铝焊丝和7075-TiC铝焊丝单道多层增材实验件进行力学性能表征。拉伸试验结果表明，7075-TiC铝焊丝单道多层增材实验件的屈服强度、抗拉强度以及断后延伸率的平均值均要优于7075铝焊丝单道多层增材实验件。分析认为，热处理后TiC纳米颗粒通过晶界钉住抑制晶粒生长的生长趋势，并且阻碍位错运动，从而增强其力学性能表现。此外，还对7075铝焊丝和7075-TiC铝焊丝增材实验件水平和垂直方向的拉伸断口形貌和断裂模式进行分析。二者水平方向的断裂模式均为韧性断裂，7075铝焊丝增材件垂直方向的断裂模式则是典型的穿晶断裂，7075-TiC铝焊丝增材件垂直方向的断裂模式是以韧性断裂为主的混合断裂。

关键词： 电弧填丝增材制造   W-GTAW   焊缝成形   薄壁精度  

摘要： 金属增材制造技术的发展促进了复杂精密零件一体化的进程,并且还具有缩短生产时间、降低材料消耗量等特点,使其拥有广阔的应用前景。其中电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacture,WAAM）作为金属增材制造技术的一种,其具备高自由度、低制造成本以及高成形效率等特点,非常适用于大型尺寸及中低结构复杂度金属构件的一体化快速成形。WAAM普遍存在结构件的形貌误差较大和精度控制难的问题,本文便以ER5356铝合金焊丝为材料进行WAAM实验,在焊接过程中加入摆动工艺来实现制造成形优化。实验以摆动钨极惰性气体保护焊（Weaving-Gas Tungsten Arc Welding,W-GTAW）单层堆焊为基础,并利用有限元分析软件ANSYS对W-GTAW焊接过程进行温度场模拟,得到摆动参数对于焊接热输入的变化规律,最后进行摆动电弧增材制造实验,研究摆动工艺下增材制造薄壁的尺寸和成形形貌特点。首先在单道堆焊实验中,主要分析焊接电流、钨极高度以及摆动参数对电弧形貌、焊缝成形等实验结果的影响,并在焊接过程中利用高速摄像机和电信号采集系统实时获取电流电压及电弧形貌的变化。最终得到以下结论,焊接过程中的电弧底面半径会随着摆动参数的变化而变化,当摆动速度增大到0.40×10-1rad/s时,半径的变化最小且只有0.10mm数值浮动;而降低钨极高度、摆动角度和速度可以显著提高焊接稳定性;合理增加焊接角度和速度可以增加焊缝熔深;当焊接电流降低到130A时,从基板硬度值到热影响区和焊缝区硬度值的过渡更平滑,硬度突变值最小。而单道W-GTAW温度场模拟则以单道堆焊实验为基础,选定摆动角度、速度及停止时间,分别探究上述参数变化对于基板温度场以及温度循环曲线的影响,结果表明摆动过程中基板温度场最高温度会随着热源由焊缝中心位置向一侧移动逐渐降低,焊缝中心与焊缝边缘温差可达到431℃,并且增大摆动参数都会加快焊接热输入向基板各处的扩散速度;由焊缝云图发现,增大摆动速度则会使焊缝中心处温度梯度跨度减小;对比温度循环曲线发现,摆动角度和摆动速度越大焊缝中心处峰值温度越低,摆动速度和左右停止时间越大焊缝边缘处峰值温度越高。最终利用单层堆焊实验规律进行W-GTAW薄壁成形实验,分析摆动参数对于薄壁成形规律以及硬度的影响,结合焊接过程中的电信号和电弧形貌分析摆动工艺对电弧增材制造的影响机理,实验结果表明,对比常规GTAW电弧,W-GTAW薄壁成形件可以获得更小的基板熔透量和更高的薄壁高度、厚度以及硬度,在电弧摆动左右停止时间为0.25s条件下的W-GTAW成形件壁厚为13.83mm,相较于常规GTAW壁厚增加了2.67mm,而此条件下基板两端翘起角度θ仅为0.2°;当选取摆动参数为中间值时得到最大尺寸精度为0.92的薄壁,表明适当增大摆动角度和摆动左右停止时间可以提升薄壁尺寸精度;反观硬度变化,适当增大左右停止时间则会使垂直方向硬度数值波动减小且峰值过渡更加平滑。

关键词： 电弧增材制造   数值模拟   Al-Zn-Mg-Cu合金   原位合金化   组织和性能  

摘要： 7000系高强铝合金广泛应用于航空领域结构件制造,但航空整体结构件尺寸大、结构复杂,传统减材工艺灵活性较低,且会造成一定的材料浪费。低成本、高效率、高灵活性的电弧增材制造（WAAM）技术具有明显潜力和优势。然而,高强铝合金强度高、塑性差,目前无成熟的商用丝材。本文基于原位合金化原理,提出了异质多丝电弧增材制造方法,分别以Al-6.0Zn-2.5Mg-2.5Cu和Al-6.0Zn-2.5Mg-1.5Cu合金为合成目标,从多丝增材制造工艺、组织性能分析和数值模拟等方面展开研究。首先,基于熔化极气体保护焊（GMAW）电弧增材系统,通过增加工装夹具和送丝机构搭建了三丝WAAM系统。为了满足三丝增材制造构件的成形需求,对三丝的相对位置和角度进行探究,之后分析了电流和增材速度对单层单道沉积层成形质量的影响,确定了Al-6.0Zn-2.5Mg-2.5Cu合金的WAAM工艺参数,并进行直壁墙构件的制备。对Al-6.0Zn-2.5Mg-2.5Cu合金构件的微观组织和力学性能进行分析。X射线衍射（XRD）结果显示构件主要析出相为η相(Mg（Al,Zn,Cu）2)。构件微观组织由柱状晶和粗大的等轴晶组成,以熔合线为界,沉积层的上部多为粗大的等轴晶组织,而下部则多为柱状树枝晶组织。构件显微硬度在110HV-130HV范围内波动。从微观组织中可以看到熔合线附近的贯穿热裂纹和密集气孔,产生热裂纹和气孔的主要原因是GMA逆变电源的一元化调节模式使电流与单丝送丝速度无法实现解耦控制,造成三丝在熔敷过程中热输入不足,进而导致熔合线附近出现热裂纹和气孔缺陷,降低了构件的拉伸性能。针对上述问题,通过降低旁路ER2319焊丝的送丝速度和焊接速度提高热输入。改进工艺后增材制造的Al-6.0Zn-2.5Mg-1.5Cu合金构件的微观组织分布规律与Al-6.0Zn-2.5Mg-2.5Cu合金类似,电子背散射衍射（EBSD）结果显示构件的平均晶粒尺寸为57μm。高分辨透射电镜（HRTEM）确定了合金中的第二相为η(Mg（Al,Zn,Cu）2)相和η′相。力学性能测试发现,构件显微硬度平均值为118 HV;水平方向平均抗拉强度为266.7 MPa,延伸率为2.7%,垂直方向平均抗拉强度为238.3 MPa,伸长率为2.3%。构件的热裂纹和气孔问题相比WAAM Al-6.0Zn-2.5Mg-2.5Cu合金构件得到了明显改善。最后,对两组不同热输入条件下Al-Zn-Mg-Cu合金的增材制造过程进行数值模拟,温度场模拟结果显示Al-6.0Zn-2.5Mg-1.5Cu合金构件具有较大的熔深和较缓慢的冷却速度,熔池冷却速度降低有效改善了构件的气孔问题,与实验结果一致。两组不同热输入条件下的构件残余应力分布情况和变形程度相似,表现为沉积层两端残余应力值和变形量较大,中间区域较小。与制备的Al-6.0Zn-2.5Mg-2.5Cu合金构件所表现出层间开裂和翘曲变形的现象一致,通过模拟再次验证了热输入与缺陷产生的关联,可为多丝电弧增材制造工艺参数设计提供借鉴和参考。

关键词： 增材制造   高强钢   激光诱导TIG电弧   宏观成型   组织性能  

摘要： 低合金高强钢因具有高抗拉强度、优异的韧性和良好的焊接性能,已广泛应用于汽车、船舶和压力容器等重要行业。传统高强钢的制造方法(铸造、锻造等)存在一些弊端,而增材制造方法因具有生产周期短、成本低、高自由度以及高自动化等优势,已成为高强钢加工制造的重要方式之一。 目前针对于高强钢增材制造的研究主要集中于单一热源,但单一热源往往都有其各自的局限性,为了推动高强钢增材制造的发展,本文在TIG电弧增材的基础上,引入低功率激光,形成复合热源,旨在得到“1+1>2”的效果。本文采用激光诱导TIG电弧增材制造高强钢单道多层薄壁试件与多层多道块体试件,验证高强钢复合热源增材制造的可行性,主要研究内容与结论如下: 研究了激光的引入对电弧形态的影响,结果表明:激光引入对电弧产生了吸引凝聚的作用,使能量密度提高,提高电弧的稳定性与可控性,保证了增材的成型精度。 研究了分别以单TIG电弧和激光诱导TIG电弧作为热源,增材制造单道多层薄壁试件,对比了试件的宏观形貌、微观组织与力学性能,研究结果表明:激光诱导TIG电弧薄壁试件的宏观成型更优异,材料有效利用率更高,成型误差小于单TIG电弧试件;不同热源试件微观组织相似,均由珠光体和铁素体构成,但激光诱导TIG电弧试件的晶粒尺寸更小;激光引入后试件的拉伸性能与显微硬度均得到了改善,力学性能优于单TIG试件。 采用不同路径进行激光诱导TIG电弧增材制造高强钢多层多道块体的制备,研究了不同路径下试件的宏观形貌、微观组织、力学性能与元素分布,并分析试件的强化机理,研究结果表明:选用不同路径均能制备出成型良好的块体试件,平行同向试件的表面与十字交叉试件相比更平整光滑;不同路径试件的微观组织均由马氏体、贝氏体和铁素体构成,不同位置处组织的形态会有些许改变,十字交叉路径试件的晶粒尺寸较大于平行同向试件;平行同向试件抗拉强度与伸长率在横、纵两个方向存在一定差异,且横向抗拉强度大于纵向,具有各向异性;十字交叉试件横、纵两个方向的抗拉强度与伸长率差异较小,具有一定的各项同性;不同路径试件的显微硬度呈现分层趋势,自下至上先减小后增大;不同路径试件的Ni、Mn元素均富集于晶界处,产生了固溶强化与晶界强化。 研究发现激光诱导TIG电弧增材制造高强钢具有可行性,可以制备出成型质量优异、力学性能良好的试件。

关键词： 电弧增材制造   极性比   超声振动   成形精度   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造(WAAM)凭借其材料沉积效率高、材料利用率高、可制作大尺寸构件和生产成本低等优点,在各个领域有着广泛的应用。然而,该技术也存在成形件尺寸精度偏低、气孔缺陷多、成形件变形大和力学性能偏低等问题。本文利用CMT-Pulse advanced电弧模式进行铝合金薄壁件的增材制造,主要研究了行走速度、送丝速度、层间温度、极性比和超声振动对成形件成形质量和组织性能的影响规律。使用电参数和高速摄像同步采集系统获取熔敷过程中的电参数和熔滴过渡图像,使用图形处理软件对薄壁件成形精度进行分析,利用显微观察和拉伸性能测试等方法对薄壁件进行组织性能的分析研究,为解决铝合金电弧增材制造过程中面临的困难探索新的方法和思路。首先进行单道熔敷实验,实验在送丝速度为3 m/min～10 m/min,行走速度为0.15 m/min～1.65m/min的区间内进行,得到熔敷层成形良好的工艺范围。研究行走速度、送丝速度、EP/EN-Balance参数值和超声振动对单道熔敷过程的稳定性和宏观成形的影响。研究表明,当送丝速度不变时,层高、层宽和熔深均随着行走速度的增大而减小;当行走速度不变时,层高、层宽和熔深均随着送丝速度的提高而增大;当行走速度和送丝速度均不变时,随着EP/EN-Balance参数值的增大,层宽和熔深增大而层高减小;适当减小EP/EN-Balance参数值可以得到利于进行增材制造的熔敷层;ER4043铝合金在CMT-Pulse advanced模式下,熔滴过渡形式不受工艺参数影响,在EP阶段的脉冲周期均为“一脉一滴”的过渡形式,在EN阶段的CMT周期均为短路过渡形式;施加超声振动可以起到促进短路过渡的作用,缩短了短路持续时间。在单道熔敷层成形良好的工艺范围内进行增材制造实验,研究行走速度、送丝速度、层间温度、极性比和超声振动对薄壁成形件成形尺寸、成形精度、气孔率及组织性能的影响。结果表明,当送丝速度不变时,随着行走速度由0.6m/min增大到0.9m/min,薄壁成形件的平均层高和平均层宽均减小;表面粗糙度先降低后增加,尺寸精度先提高后降低;气孔率近似线性增多;层间、层内和顶部的晶粒尺寸均呈减小规律;总体上,拉伸强度和延伸率呈先提高后下降的趋势。当行走速度不变时,随着送丝速度由6 m/min增大到9 m/min,薄壁成形件的平均层高和平均层宽增大;表面粗糙度不断增大,尺寸精度不断减小;各部分晶粒尺寸均呈增大规律;拉伸强度和延伸率总体上呈下降趋势。当行走速度和送丝速度不变时,随着层间温度由70℃提高至110℃,平均层宽明显增大而平均层高略有减小;表面粗糙度不断增大,尺寸精度不断减小;各部分晶粒尺寸均呈增大规律;拉伸强度和延伸率总体上呈下降趋势。当行走速度和送丝速度不变时,随着EP/EN-Balance参数值由-1增大至2,平均层宽增大而平均层高减小;表面粗糙度值不断增大,尺寸精度不断降低;气孔率降低明显;各部分晶粒尺寸呈增大规律;各方向的拉伸强度和延伸率呈先下降后提高的趋势。施加超声振动后,平均层宽和平均层高变化不大;表面粗糙度减小,尺寸精度提高;气孔率明显降低;各部分晶粒均得到细化;拉伸强度和延伸率提高。送丝速度为6m/min,行走速度为0.9m/min时,施加超声振动后,气孔数量减少最多,减少了约68%。当送丝速度为9 m/min,行走速度为0.6 m/min时,晶粒尺寸和拉伸性能变化最大,顶部晶粒的平均直径减小了8.9%,层间晶粒的平均直径减小了 6.6%,层内晶粒的平均直径减小了23.5%;横向抗拉强度提高了6.4%,横向延伸率提高了 37.2%,纵向抗拉强度提高了5.8%,纵向延伸率提高了25.3%。研究结果表明,适当修改极性比和施加超声振动可以改善增材制造薄壁件的成形质量和组织性能。

关键词： 电弧丝材增材制造   铝合金焊丝   水冷条件   组织形貌   力学性能  

摘要： 电弧丝材增材制造（Wire arc additive manufacturing,WAAM）因其成形效率高、成形设备简单以及丝材价格较低等特点成为常用的金属增材方法之一。近年来随着工业的迅猛发展，产品零件迭代速度快，工件形状趋于多样化和复杂化，传统加工制造方式逐渐不能适应行业发展需求，电弧增材制造技术凭借自身独到的优势成为制造业的研究热点。　　随着汽车和航空等行业零件朝着复杂化和轻量化的方向发展，铝硅系合金在电弧增材制造技术上得到了广泛应用。针对4047铝合金在液态下流动性好，在电弧增材制过程中因热积累严重导致构件成形质量差的问题，通过水冷辅助散热的方法，系统的研究了双脉冲条件下不同工艺增材构件的形貌、组织及性能，并对成形后的构件后处理，探究改善增材构件成形质量及性能的工艺方法。　　采用单因素法对单道单层焊道工艺进行探究，实验结果表明，当脉冲电流为130A，焊接速度为5mm/s，占空比为60%，电流差值为40A，电弧波形特性参数为4时，焊道的成形较好。基于该工艺，使用有限元分析软件模拟了有无水冷及不同层间等待时间下6种工况的温度场和应力场，分析了不同工况的温度场和应力场的变化规律，结果表明水冷条件能够加快散热，降低增材过程的热量积累，同时能够降低应力集中。构件内部温度降低约15%，熔池的长度和深度分别降低5%和11%，构件内部的残余应力降低约12%。　　对直壁构件的制备采用了水冷断续、无水冷断续、水冷连续三组工艺条件，研究结果表明水冷条件能够细化晶粒，提高增材构件力学性能，该工艺下增材构件晶粒尺寸和二次枝晶臂间距最小，显微硬度为47.4HV，横向和纵向抗拉强度分别为167MPa、153MPa，力学性能最优。水冷连续条件下成形效率高，直壁构件表面质量最优，晶粒尺寸和二次枝晶臂间距最大，相应力学性能较低，显微硬度为42.8HV，横向和纵向抗拉强度分别为145MPa、136MPa。　　通过对成形构件固溶处理并对显微组织和力学性能分析测试，结果表明成形构件显微组织均匀化，但颗粒状的共晶硅产生粗化，尺寸增大，构件的力学性能没有明显改善。

关键词： 相场法   电弧送丝增材制造   格子玻尔兹曼方法   元胞自动机  

摘要： 金属增材制造是一个复杂的多物理场耦合的多尺度过程,不同的工艺参数会影响熔池枝晶形貌、晶粒生长以及浓度变化等。传统试错的方式仅使用宏观模拟或者微观模拟方法熔池行为。本文使用有限元-相场方法,采用Abaqus对ER5356铝镁合金增材制造过程熔池行为进行了多尺度研究,实施了相应的电弧送丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)实验,研究了不同电流对熔池柱状晶生长速率、浓度场、枝晶尖端速率、固相分数及尖端半径的影响;同时改变17.1 V,74 A,8 mm/s熔池柱状晶取向,探究了晶粒取向对熔池的影响;并模拟了不同电流下多晶柱状晶三维浓度场及形貌演变。基于格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)耦合流场的相场模型模拟了不同功率对柱状晶形貌、浓度场变化等以及17.1 V,74 A,8 mm/s晶粒取向对柱状晶生长行为的影响。研究得到如下结论:1.进行有限元建模,模拟速度为8 mm/s,电压为17.1 V时,不同电流条件(74 A、64 A、54 A)下温度场分布,得到的230 K/mm、190 K/mm和150 K/mm的温度梯度作为相场模型的耦合温度条件。2.在晶粒成核的早期阶段,界面波动和成分波动导致平均浓度增加,二维相场模拟的树枝状形态与WAAM增材制造结果一致。法向角为0°的枝晶没有二次枝晶臂现象,法向角为0°的柱状晶有二次枝晶臂现象。法向角越大,生长速度越慢,固相分数越低,尖端半径先增大后减小。3.在74 A,17.1 V,8 mm/s,改变角度(60°,30°,0°)导致柱状晶与液相接触面积增加,从而促进二次枝晶臂生长,该现象与实际过程吻合,没有发现明显的0°枝晶和二次枝晶臂。一定角度的正常柱状晶表现出较为突出的二次枝晶臂现象。此外,较大角度的柱状晶生长速度较慢,固相分数和尖端半径较低。4.采用与二维模拟相似的尖端半径和固相分数等参数对三维柱状晶体进行了模拟,三维模拟在尖端和主干周围表现出固相浓度高于液相浓度的差异,并且在进化形态上呈起伏的丘状,比2D模拟更粗糙。5.使用元胞自动机结合相场法研究了熔池演化过程中的柱状晶向等轴晶转变现象,结果表明:界面挤压发生在接触区域,从而调节柱状晶体生长。等距晶体相互挤压阻碍了横向生长,最终等距晶体上部演化为具有次生枝晶臂的柱状形态。不同功率水平下的密度效应改变了能量越高密度越高的一般规律,导致更小的枝晶在外围形成空腔,而不是随着时间推移不断增长。流场改变了早期成核阶段的液面斜率,增加了晶粒外径,导致更大的树枝状晶体。尖端半径改变导致更多柱状晶持续生长,从而整个柱状晶上下更为均匀。6.使用LBM计算方法,运用耦合流场的相场模型对Al-4%Mg合金在WAAM增材制造过程中熔池进行了浓度场的模拟,探究了功率改变后的熔池微观浓度场,组织形貌的变化,结果表明:在初始阶段,由于引入了流动,导致了比其主干宽更大的柱状晶体数目的增长引入了流场的相场法,初始生成的固-液界面将有一个一定的倾角;在横向浓度方面,其与未加流场的规律近乎一致。但纵向分布方面却存在着整体浓度偏小的现象,这是因为液体的流动促进了元素的扩散,使得在界面的中心部分出现浓度小于未加流场的浓度。7.使用LBM计算方法探究了取向对于枝晶形貌的影响,结果表明:取向的改变促进了左右两侧边界生长处大于其他枝晶的一定角度柱状晶晶粒,且由于流场的加入促进了这些晶粒的二次枝晶臂的生长。不同于未加流场的模型,其中间部分的枝晶并为生长出明显的二次枝晶臂。

关键词： 电弧增材制造   熔滴振荡动量   表面成形质量   视觉传感   图像处理  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)可实现大尺寸复杂金属构件的低成本、高效快速近净成形。然而,WAAM成形件的表面质量难以达到理想的精度和应用标准,严重限制了其在制造领域的应用和发展。目前,通过反馈控制的方法优化表面成形质量成为当下研究的热点。但考虑到反馈控制对过程监测系统的灵敏性和准确性要求过高,若偏差发生前做出及时调整(前馈控制),有望为解决该问题提供一条途径。因此,为获得适合前馈控制的特征参数,本文以熔滴振荡动量(Droplet oscillation momentum,DOM)作为突破点,开展WAAM过程监测和表面成形质量优化的相关研究,旨在剖析焊接电流、熔滴振荡动量与表面成形质量之间的关联机理,为WAAM表面成形质量优化提供一种基于DOM的“前馈+反馈”控制策略和思路。具体开展以下研究工作:首先分析了悬垂熔滴的受力情况以及熔滴振荡对熔池几何变形的影响,并对熔滴振荡动量展开了研究。基于“质量-弹簧”模型对熔滴振荡动量进行了理论分析,建立了熔滴振荡动量的数学模型。同时,结合高速摄像技术,校正了弹簧系数和阻尼系数。此外,考虑了焊丝运动对熔滴位移的贡献,校正了熔滴位移和速度,并建立了熔滴振荡动量模型的计算程序。针对WAAM沉积过程中存在强烈电弧光,熔滴无法直接观测的问题,自主设计与搭建了基于高速摄像技术的视觉传感系统。该系统充分考虑了电弧弧光特性,集成了COMS高速相机和复合滤光系统,可对制造过程中的熔滴过渡行为进行实时监测。熔滴振荡动量模型评估实验结果验证了本文所设计视觉传感系统的有效性。针对熔滴振荡动量难以快速计算的问题,开发了熔滴特征提取程序。该程序集成了中值滤波、LOG边缘检测、Region-props几何特征提取等图像处理技术。可直接输出熔滴的轴长、面积、质心坐标等参数,二次计算输出体积、位移、速度和熔滴振荡动量。熔滴特征提取程序评估结果验证了本文所开发程序的有效性。针对WAAM成形件表面质量难以定性定量分析的问题,研究了基于三维点云技术的物体表面轮廓测量技术,建立了WAAM表面成形质量评价体系。其原理是通过迭代最近点(ICP)算法,计算成形件扫描点云与参考曲面之间的误差距离(C-M distance),并以平均误差距离表征薄壁零件的表面成形质量。零件表面成形质量分析结果验证了本文表面成形质量评价方法的有效性。针对WAAM表面成形质量演化机理的问题,研究了熔池波动行为。结合理论分析和高速视觉传感技术,讨论了电弧增材制造零件表面成形的内在机理,成形机理分析实验结果表明,熔滴振荡动量对熔池的稳定性有显著影响,较大的熔滴振荡动量可以提高熔池波动周期,加剧熔池波动幅度的不均衡性。针对熔滴振荡动量模型的准确性问题,通过实验测定熔滴振荡动量和WAAM成形件表面质量,验证和评估了熔滴振荡动量模型的准确性和应用价值。熔滴振荡动量模型评估实验结果表明,模型预测值和实验值的总体趋势是一致的,可对WAAM工艺提供指导。最后,阐明了基于“电流—熔滴振荡动量—熔池波动距离—表面成形质量”研究路线的WAAM表面成形演化机理。研究表明,在120A-180A电流范围内,小电流对应较小的熔滴振荡动量,较小的熔滴振荡动量可以缩减熔池波动距离的不均衡性,进而获得更好的表面成形质量。以上研究证明熔滴振荡动量(DOM)可以作为表征WAAM表面成形质量的一个特征参数,同时能够作为一个前馈控制的对象,通过“前馈+反馈”的方法调控熔滴振荡动量优化表面成形质量,或可作为下一步研究的思路和方法。

关键词： γ基TiAl合金   双丝电弧增材制造   热处理   原位合金化   力学性能  

摘要： 伴随着高速、高空飞行器的不断发展,以有序γ体系为基础的Ti Al合金因其超越性的高温机械性能,正在高温气动结构材料与飞行器发动机零件等领域逐步走向应用。但是,Ti Al合金由于其本征脆性、和强烈的凝固织构等问题,其成形制造方法在大部分现代制造技术下依然存在着不小的挑战。工艺设计困难、制造成本高、成品性能差等问题,在传统成形制造方法中仍难以避免。电弧增材制造技术是一种新型一体化近净成形工艺,基于“逐层堆积”的工艺原理,有望为Ti Al合金的成形工艺设计、细化材料组织、消除各向异性等方面提供通用解决方案,从而极大缩短设计周期,减少零件制造成本。 本文利用双丝电弧增材技术,同步熔化TC4和ER4043丝材,成形了名义成分为Ti-48Al-2.2V-1.6Si的γ基Ti Al合金,通过微观形貌观测和XRD、EBSD等表征方法,确定了合金组织的室温组织类型与相组成,分析了电弧增材工艺条件影响下的材料相变规律。通过高温与室温测试表征了材料的综合力学性能,以此初步评估本电弧增材Ti Al合金作为高温结构材料的可靠性。利用层间粉末涂敷进行原位合金化,Ti B2颗粒与合金元素Nb被分别成功引入电弧增材Ti Al合金的组织,并研究了其对原位合金化对材料组织类型、织构强度与室温力学性能产生的影响。本文通过DSC试验与经验理论结合得到了本电弧增材Ti Al合金的相变温度区间,基于双温热处理工艺调控γ基Ti Al的组织性能,设计了三种热处理工艺,成功获得了具有不同室温组织状态的电弧增材Ti Al合金,并实现了对材料组织性能的调控。本文主要结论具体如下: （1）增材过程中的激冷凝固和液相偏析抑制了样品组织中粗大包晶反应树枝晶的形成,最终获得了由细小（γ+α2）L层片团、块状γm相和基体相内部析出的Ti5Si3颗粒组成的室温组织。在增材制造热循环下,再热相变以高温α相的再结晶形核及其序化转变为主,使沉积体中部热影响区出现了大量的（γ+α2）L层片团,层片团直径在20μm左右。随着重复热输入次数增加,亚稳β0相数量减少,α2相数量先增加、后减少。在样品中部组织形态分布较为稳定的部位,EDS线扫描给出的平均原子比为Ti-42Al-2Si-7V。 （2）硬质Ti5Si3以短棒和片状为主,并产生了Orowan强化效应。材料室温压缩强度为1665.7 MPa,压缩率为15.1%。由于合金组织主要以（γ+α2）L层片团构成,且非连续分布的Ti5Si3颗粒抑制了裂纹的扩展和相互连接,使沉积态合金的平面断裂韧度达到21.0 MPa·M1/2。可能存在的冷裂缺陷使材料的高温抗拉强度较低,仅800℃下达到了较高的505MPa。材料拉伸性能在700℃下无明显软化。 （3）原位合金化工艺在电弧增材γ基Ti Al合金中分别引入了5.6 vol.%的Ti B2,以及2 at.%的Nb。两者均有助于细化组织,并削弱了材料中的织构关系,降低了材料各向异性。原位添加Ti B2或Nb提高了样品的压缩率和抗压强度。且两者都能减小材料解理断裂台阶的大小。原位添加Ti B2使压缩断面上的解理台阶尺寸减小到了数个微米大小。 （4）二次退火温度为1180℃、1080℃和980℃样品的室温抗压强度分别达到1785.2±83.5MPa、1936.0±74.7MPa和1938.2±31.4MPa。由于层片团组织中大量微小位错塞积区的塑性形变在材料微观形变中占有较高比例,二次退火温度为1080℃的热处理组织弹性模量为30.7±2.9GPa,约比另两者热处理工艺样品高20%。电弧增材样品中的制造缺陷可能是导致其弹性模量整体低于常见工程Ti Al合金的原因。