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： 冷金属过渡   电弧增材制造   铝青铜合金   热处理   组织性能  

摘要： 铝青铜合金强度良好、且耐腐蚀性和耐磨性优异,因此被广泛应用于制造螺旋桨、涡轮、法兰盘等船舶及海洋装备。上述构件传统采用铸造技术制造,然而铸件中气孔等缺陷会使构件力学性能下降,另外开模等生产工艺,使其在个性化、小批量生产过程中制造成本高且生产周期长。冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)电弧增材制造具有热输入低、生产周期短、制造成本低、力学性能好等优势,在大型复杂铝青铜合金构件制造方面具有良好的应用前景。因此,本文基于CMT电弧增材制造技术在Q235低碳钢基板上进行铝青铜合金电弧增材制造试验,研究了单层单道熔敷层和单道多层薄壁墙体的宏观成形、微观组织和力学性能。首先,研究了送丝速度等工艺参数对单层单道熔敷层宏观形貌、微观组织和力学性能的影响。结果表明:随着送丝速度的增大,熔敷层层宽、熔深、层高系数、截面积及稀释率均增大,熔敷层层高先增大后减小。其它工艺参数如焊接速度、干伸长和焊枪倾角对上述宏观尺寸均存在一定影响。对比发现工艺参数不合适时,熔敷层表面会出现铺展不均匀及褶皱氧化现象,必须进行合适的工艺参数匹配。随着送丝速度增加富Fe相形态由针尖状和颗粒状为主过渡到雪花状和树枝状为主。控制其它参数不变,在送丝速度为7m/min时,由于富Fe相的大幅增加,熔敷层显微硬度最高达到165HV。熔敷层与基体的结合强度较高,发生了冶金结合,剪切强度均大于640MPa。其次,单道多层薄壁墙体试验结果表明:试样平均宽度与送丝速度呈正相关,平均层高与送丝速度呈负相关;当送丝速度增大时,粗糙度增大,成形精度降低;试样有效面积在送丝速度5m/min时最大,达到79.57%。微观组织主要由α-Cu相、β′相和κ相组成。试样底部区域主要为细小致密的等轴晶,随着沉积层数增加,晶粒尺寸发生突变,呈现较大的柱状晶;试样中部层内区域依旧以柱状晶为主,但晶粒尺寸有所增大,层间区域中的α-Cu相尺寸比层内组织大,更多的β′相保留在层带中;试样顶部区域组织生长方向紊乱。试样顶部区域的显微硬度相较于中部和底部区域明显降低,墙体两侧硬度较中心区域低;随着送丝速度增加硬度逐渐增加,送丝速度7m/min时最高达154HV。拉伸强度表现出各向异性,横向试样521MPa的拉伸强度高于纵向试样的485MPa,但纵向试样伸长率明显高于横向;送丝速度对拉伸强度的影响不明显。试样的冲击性能良好,冲击功均在47J以上。最后,热处理研究发现,经淬火处理后,α相长大,β′相数量急剧增多,κ相基本固溶到α相中;淬火+回火处理使组织变得相对均匀,α相的尺寸较增材态大,β′相发生分解,κ相脱溶析出;经回火处理后,α相的尺寸小于淬火+回火态,有一定量的κ相析出,β′相以块状形式分布在α相晶界上。淬火态试样的硬度为189HV,比增材态提高了34.04%,淬火+回火态和回火态硬度较增材态降低14.89%。经淬火处理的试样抗拉强度达到最高(526MPa)但其断后延伸率最低(31%)。淬火+回火和回火态的试样抗拉强度较增材态有一定程度下降,但塑性有所提高。淬火+回火态试样的冲击功高达98J,较增材态提升了71.93%,回火态试样的冲击功较增材态提升了56.14%。

关键词： CMT电弧增材   高强钢   不锈钢   等轴晶   偏析   裂纹  

摘要： 本文基于贝壳生物,参照其“砖-泥”结构高强韧性原理,使用ER 120S-G高强钢和316L不锈钢焊丝,结合CMT电弧增材技术制备一种异质异构软硬交织结构的增材件,通过研究其增材件组织及性能,旨在探究其组织和性能对增材件高强高韧影响规律。 首先,对高强钢与不锈钢单道成形工艺进行试验研究,分析其单道成形规律、送丝速度对宽高比的影响、以及增材电流、电流-电压波形图特征,确定出良好的成形工艺,分别为高强钢焊接速度为4mm/s,送丝速度为4.5m/min;不锈钢焊接速度为4mm/s,送丝速度为4m/min,制备不同结构比例的异质异构增材件。随后对增材件组织进行分析,高强钢区域下,组织多为马氏体和贝氏体,少量奥氏体;不锈钢区域中主要为奥氏体组织和铁素体组织,而在两种混材增材件中,重熔区宽度自下而上逐渐减小。通过EBSD和扫描电镜检测技术发现纯材和异质异构增材件中平行于沉积方向的织构生长强烈,这与电弧增材时散热速度快的方向一致,异质异构下的增材件比纯材增材件中的晶粒尺寸要小,且晶粒趋向于等轴化。而且在增材过程中,Mn、Ni元素容易在晶界中富集。 其次,对异质异构增材件力学性能以及断裂裂纹进行分析研究,首先在纯高强钢增材件中,硬度平均值在350HV左右,波动范围在300～400HV之间,纯不锈钢增材件中,硬度平均值在175HV左右,波动范围在150～200HV之间,而在异质异构增材件中,其硬度介于两者之间,且随着高强钢比例的增大其硬度更接近于纯材。抗拉强度中,Z方向上的抗拉强度大于X方向上,最高可达1229.1MPa,最低为504.3MPa。而断后延伸率X方向上比Z方向上要好,在异质异构增材件中,其抗拉强度和断后延伸率随着高强钢比例的增加,前者更接近纯高强钢增材件,后者则逐渐接近纯不锈钢增材件。当裂纹进入增材件时,会出现45°偏转,进入高强钢区域时,主裂纹呈锯齿状,且会出现明显的裂纹增值情况,而进入不锈钢区域时,主裂纹发生偏转,且裂纹在扩展中发生变形诱发马氏体相变区。 最后,通过热处理过后的增材件其组织、性能与沉积态增材件相比出现较大的变化,奥氏体晶粒中Mn、Ni、Cr大量富集,晶界处Si、Mn、Ni、Mo含量都有所减小,而Cr和Fe含量增加。C元素出现少量偏析,Cr元素含量较少但分布较均匀,Mo元素大量存在于铁素体中。而硬度和抗拉强度较之沉积态都有明显的增强。

关键词： 电弧增材制造   数字化平台   神经网络  

摘要： 电弧增材制造是通过材料逐层堆积的方式构造工件,是一种灵活性好、生产效率高的金属增材制造,因此受到了广泛的关注。对工艺数据和工件成本进行预处理是电弧增材制造过程的关键环节。由于目前电弧增材工艺数据和相关成本只能通过设备不断试验的方式获取,受到设备和场地的约束,给用户带来极大的不便利性。随着互联网技术的快速发展,增材制造也呈现出数字化的趋势。为了有效管理制造信息资源以实现共享和重复利用的需求,实现一个能对电弧增材制造数据线上处理和使用的数字化加工平台具有重要的研究意义。 本文以数字加工平台工艺数据管理、三维模型处理、模型成本预测、平台模块搭建为目标,探索了工艺参数对成形工件的规律影响,并通过曲面响应法和BP神经网络模型两种方法进行工艺数据预测和比对,实现平台的工艺数据库管理,通过输入的三维模型切片完成对模型成本的计算,最后将各个模块封装成完整的客户使用平台,具体工作如下: (1)建立了单因素对电弧增材单层焊道的尺寸模型,通过焊接电流、焊接速度、沉积时间三种工艺参数的变化对电弧增材制造尺寸的影响,从而获取工艺参数对成形尺寸数据的规律,得出的结果是焊道宽度和成形质量都与焊接电流、焊接速度成正相关。并通过曲面响应分析将三种工艺参数结合,对工件的成形规律进行预测,从而验证了电弧增材制造数字化加工平台的可行性分析。 (2)通过python构建一个正向的BP神经网络模型。通过输入实物样本的数据,使曲面分析法和BP神经网络预测能力进行比对,其中人工神经网络模型预测的宽度的相对误差仅仅0.82%,焊道质量训练样本的平均相对误差仅仅只有0.04%,更具有高预测精度与稳定性。通过设计反向预测模型来实现工艺数据库的优化。 (3)采用Vue、***搭建一个基于电弧增材制造的数字加工平台,包含用户管理模块、数据预处理模块、三维模型导入模块以及成本预测模块。客户可以通过自己的账户,提交三维模型文件,并且可以在平台对三维模型进行增删改等操作,而后对三维模型的数据进行解析,对模型分层切片、将切片算法和神经网络预测的数据结合、实现了可视化的成本计算。

关键词： 铝合金   WAAM-FSP复合增材制造   数值模拟   微观组织   力学性能  

摘要： 铝合金的增材制造对于铝合金的发展应用有着重要作用,本文针对铝合金电弧增材制造过程中常见的气孔率高、力学性能差等问题,提出了电弧-搅拌摩擦加工复合增材制造工艺。建立了铝合金电弧(WAAM)-搅拌摩擦加工(FSP)复合增材的热力耦合模型;对搅拌摩擦加工作用下铝合金电弧增材过程的成形特性进行研究,分析了FSP对电弧增材制造铝合金气孔的影响规律;通过金相和扫描电镜观察,结合能谱分析、显微硬度检测、拉伸性能测试,明确了FSP作用下铝合金增材制造过程中微观组织的演变过程和力学性能变化规律,阐明FSP对电弧增材制造铝合金的微观组织和力学性能的影响。通过对单独电弧和电弧-搅拌摩擦加工复合增材过程中的温度场和应力场进行对比,发现层间FSP的热力作用会使应力分布发生变化,起弧端、基板与堆积层交界处的应力集中得到释放,增材铝合金内部平均应力值降低约20 MPa。层间FSP的引入使电弧增材铝合金的侧壁平整度提高,有效改善电弧增材铝合金的下榻情况。改变转速和搅拌针针长对增材铝合金的成形影响变化不大,搅拌头轴肩直径增加使增材铝合金下榻更明显,侧壁平整度下降。层间FSP能够有效降低增材铝合金中的气孔数量和尺寸,WAAM-FSP工艺下,增材铝合金中的气孔尺寸减小至34.8μm。FSP的热力耦合作用可使WAAM铝合金晶粒细化,晶粒尺寸与纯电弧增材相比下降了约10μm,增材工件内部的粗大柱状晶减少,形成更多的等轴晶。FSP的引入使WAAM工件中晶界处的第二相由网状变为条状,同时晶内颗粒状第二相增多。FSP的引入使增材铝合金的力学性能得到了提升。与纯电弧增材相比,WAAM-FSP复合增材铝合金的显微硬度由74.7 HV提高至85.6 HV。层间FSP的引入也使增材工件的拉伸性能得到了提升,屈服强度最高提升了约46 MPa,抗拉强度最高提升约38 MPa,延伸率提高约7.6%,拉伸试样断口形貌中韧窝的数量以及深度明显大于纯电弧增材。

关键词： 电弧增材制造   7系铝合金   复合制造   微观组织   机械性能  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)作为一种高效、低成本近成形技术,在7系铝合金一体化成形方面具有广阔的应用前景。但是,具有轻质、高强特点的7系铝合金在WAAM过程中热裂倾向大,制造较为困难,目前其在WAAM领域的研究尚处于起步阶段,在一定程度上限制了7系铝合金WAAM工程化应用。鉴于7系铝合金在WAAM方向的重要潜力以及当前研究存在的问题,本文通过自行研制的7A48铝合金丝材作为制造材料,进行Al-Zn-Mg-Cu合金的WAAM成形,并通过电弧-微锻复合增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing+Micro Forging Hybrid Process,WAAM+MF)进一步提高增材制造薄壁件性能,随后研究了热处理(T6)工艺对材料的影响。得到的主要结论如下:利用自行研制的7A48铝合金丝材进行WAAM。研究发现,在氩气流速为23 L/min、丝材干伸长为12 mm、层间冷却时间为120 s、电流为85 A、电压为18 V、行进速度为9 mm/s时,可以实现7A48铝合金的成形,制造的薄壁件组织呈等轴晶区与柱状晶区交替排列的组织形态,且内部存在棒状η(Mg Zn)相和点状T(AlMgZn)相。性能测试表明,水平方向和垂直方向的抗拉强度、屈服强度、伸长率的平均值分别为296.5 MPa、181.3 MPa、6.9%和280.4 MPa、209.0 MPa、3.3%,性能具有一定各向异性特征。对于7A48铝合金的WAAM+MF复合制造。研究发现,基于上述WAAM参数,辅以施加35%的微锻下压量时,可以实现7A48铝合金的成形。相比于单一的WAAM,复合制造薄壁件的组织更为均匀,且为等轴晶组织,平均晶粒尺寸从26.1μm降到4.8μm,织构强度也从5.69降到4.08,这使材料的拉伸性能提高,薄壁件水平和垂直方向的抗拉强度、屈服强度、伸长率的平均值分别为332.8 MPa、215.0 MPa、21.4%和322.7 MPa、211.9 MPa、12.3%,水平方向的拉伸性能略高于垂直方向。对两种工艺下获得的7A48铝合金进行T6热处理(固溶处理+人工时效处理)。研究发现,在组织中存在着纳米级针状亚稳η?相和点状AlSc相。这些析出相对位错具有阻碍作用,使7A48铝合金在T6处理后拉伸性能提升。T6态WAAM+MF 7A48铝合金薄壁件水平和垂直方向的抗拉强度、屈服强度、伸长率的平均值分别为481.5 MPa、419.1MPa、13.9%和429.3 MPa、384.2 MPa、11.2%,仍然是水平方向的拉伸性能更好。上述研究结果对于促进7系铝合金在WAAM领域的应用具有重要应用意义。

关键词： 电弧增材制造   纵向磁场   数值模拟   电弧形态   熔池行为  

摘要： 铝合金因其密度低、导电性好、焊接性好等特点,在航空航天、汽车、高铁等制造领域得到了广泛应用。电弧增材制造因其熔积速率快、材料利用率高和设备成本低等优点在高强度、大中型铝合金零件制造中脱颖而出。然而,电弧增材制造生产铝合金零件时,因铝合金热膨胀系数大、液相粘度低等特性极易出现气孔、裂纹等缺陷,导致熔积成形的零件形貌差,零件力学性能降低。磁场辅助熔积技术因其成本低、绿色环保等优点常被用于控制电弧形态和熔池流动等,以达到抑制缺陷和改善焊道形貌的目的。目前,将磁场应用于电弧增材成形的研究以实验为主,磁场对熔积过程的作用机制尚不明确。因此,本文从电弧形态和熔池流动的角度出发,开展磁场辅助铝合金电弧熔积成形的数值模拟和实验研究,主要研究内容如下:基于流体基本方程和麦克斯韦方程组,建立了平面基板情形和搭接情形时的电弧模型,研究不同熔积层形貌下不同磁场强度的纵向磁场对电弧温度场、流场和电弧中等离子体运动方式的影响。模拟结果显示纵向磁场会改变电弧的形态,使电弧中的等离子体高速旋转,合适的纵向磁场作用下阳极处的电弧收缩,有利于焊丝融化与脱落,阴极处电弧会向外扩张,减小热量密度,更易搭接成形。基于电弧模型,建立了单道熔积和搭接熔积时的熔池模型。利用Fluent的UDS功能将电弧模型计算得到的电磁力等数据导入熔池模型中,实现二者的弱耦合。利用VOF方法捕捉熔池表面特征数据,利用CSF方法将表面力转变为体积力,研究了不同熔积层形貌下不同磁场强度的纵向磁场作用下熔滴冲击和熔池流动行为。模拟结果表明:纵向磁场使熔池周向旋转,减缓熔滴冲击,使熔融金属向熔池边界运动,熔池宽度增加,熔深减小,形成大宽高比的焊道形貌,提高搭接质量。利用多场复合增材制造实验平台,进行纵向磁场辅助铝合金电弧熔积成形实验。普通熔积与纵向磁场辅助熔积的对比试验显示纵向磁场能得到大宽高比的焊道形貌,改善搭接成形,提高熔积层表面平整度,抑制气孔,提高成形试样的力学性能。