关键词： 标准温度法   电弧温度   金属蒸气   光谱诊断   TIG   增材制造  

摘要： 相比于传统生产制造方法,增材制造提供了一种直接生成复杂形状结构件的途径,该方法与智能机器人、计算机编程及3D建模相结合后,得以在航空航天、汽车船舶和石油化工等领域广泛应用。但是在增材制造领域,不可避免地遇到两大问题:成形件的性能控制和成形尺寸的精度控制。为保证增材构件的成形质量、精准调整成形尺寸,对电弧增材过程的监测与实时控制提出了迫切需求。电弧光谱信号能够为增材过程质量监测提供重要信息,为增材电弧的物理性能分析提供数据基础。因此,通过对增材电弧物理性能的分析与研究,能够揭示增材过程的动态变化机理,为电弧增材制造的成形及性能控制提供理论依据。 本文针对增材过程中电弧反复加热沉积层使得电弧热性能发生变化的问题,以TIG增材TC4钛合金直壁构件时的增材电弧为研究对象,利用光谱采集系统采集电弧光谱信息,使用特征谱图像采集系统拍摄特征谱和连续谱图像,对增材电弧的物理性能进行分析。 为了分析增材成形构件热累积对增材电弧的影响,本文首先利用高速摄影装置采集原始电弧图像,分析增材电弧的几何形态变化,与沉积层热累积非平衡和平衡状态相似,第一层至第四层为增材电弧非平衡状态,增材电弧在第四层后达到稳定状态。因此,本文选择增材第一层电弧代表沉积层热累积非平衡状态,增材第十一层电弧代表沉积层热累积平衡状态,对增材电弧物理性能进行分析。 其次,本文利用改进后的标准温度法对沉积层热累积非平衡和平衡两种状态下的电弧进行温度诊断。选用ArⅠ滤光片对特征谱图像进行采集,通过计算得到增材第一层(增材电弧非平衡状态)和第十一层(增材电弧平衡状态)的电弧温度场。并使用Boltzmann法对计算结果进行了验证,分析了电弧温度场的分布和特点。在电弧轴线处,增材第一层最高电弧温度值达到18000 K,第十一层在16000～17250 K之间;增材第一层和第十一层电弧前侧和后侧的外围温度值均在11150 K左右。增材第一层在电弧轴线上靠近钨极区域内的电弧温度高于第十一层;增材第十一层的电弧产生收缩,电弧温度场径向范围变小,但电弧潜入深度的增加让电弧的拉长,电弧温度场轴向高度高于第一层。 再次,本文利用光谱信息分析增材过程中电弧各元素的分布与运动规律。选取钛、氩元素的特征谱线,其中心波长分别为:TiⅠ-566.21 nm、TiⅡ-365.97 nm、TiⅡ-367.96 nm、ArⅠ-696.54 nm、ArⅠ-794.81 nm和ArⅡ-487.98 nm。经过强度分析结果表明,增材第一层时,TiⅠ金属蒸气的分布范围最广、面积最大,氩原子次之,TiⅡ金属蒸气的分布主要集中在钨极下方的区域内,氩离子同样分布在钨极下方的区域,氩离子的中心浓度值最高;增材第十一层时,TiⅠ金属蒸气减少了8.04%,TiⅡ金属蒸气新增了两个分布区域且整体扩大了96.51%的金属蒸气范围,氩原子大量减少整体缩小了80.23%,氩离子变化较小,整体缩小了14.65%。对钛金属蒸气、氩原子和氩离子的分布位置进行了验证,结果相符。 最后,本文分析了增材电弧温度变化与金属蒸气之间的关系。随着增材过程的进行,钛元素的金属蒸气总体增加(TiⅠ减少,TiⅡ增加,整体范围扩大13.69%),金属蒸气的增加,使得电弧自身激发带电粒子所需的能量降低,因此氩元素的浓度和含量大幅度减少(氩原子大量减少,氩离子范围收缩的同时浓度降低,整体范围缩小69.44%)。同时,金属蒸气增加的区域内,因其浓度的高低导致电弧温度出现不同程度的降低;金属蒸气较少处,电弧温度变化并不明显。 本文的研究结果揭示了增材电弧在沉积层热累积非平衡和平衡两种状态下的电弧温度场分布,分析了增材电弧中的金属元素的分布情况以及金属蒸气的运动规律,为进一步深入研究电弧温度和金属蒸气与成形质量和成形精度的相关度、增材过程的实时监控提供了理论依据。

关键词： 钢-铝焊接   Ni过渡层   熔钎焊   组织与性能   界面反应机理  

摘要： 界面金属间化合物抑制与调控是钢-铝异种金属焊接的核心问题。熔钎焊是钢-铝异种金属拼焊结构制造中最受关注的一种焊接方法,但是钢-铝对接熔钎焊接头强度不高、脆性大仍然是主要问题。为此,本文提出了一种增材Ni过渡层钢-铝异种金属激光-电弧复合热源对接熔钎焊新方法,即采用激光熔覆增材制造的方法在钢板薄壁方向制备Ni中间过渡层,进一步采用激光-电弧复合热源的方法实现钢-铝异种金属熔钎焊。该方法将钢-铝异种金属焊接过程中钢-铝界面反应问题转变为镍-铝界面反应问题,显著地提高接头力学性能。本文针对激光熔覆增材Ni熔覆层成分梯度控制规律、Ni-Al固-液界面反应机理、钢-铝激光-电弧复合热源熔钎焊工艺及其调控机理开展了系统研究。 为实现激光熔覆增材Ni过渡层成形与成分的可控制备,本文首先对激光熔覆增材Ni过渡层工艺进行了系统研究。单熔覆层表面Ni含量可控制在90%以上,并建立了熔覆层成形与成分分布的工艺参数控制模型。为实现纯Ni中间过渡层的制备,系统研究了不同工艺参数条件下熔覆层数对熔覆成形与成分的影响规律。研究发现当熔覆层的层数≥2时,熔覆层表面镍含量可以控制在99%以上。本文试验条件下熔覆过渡层制备的最优方案为激光功率为1000W,熔覆速度为8mm/s,送粉速度为14.68g/min,熔覆层数为3层。 设计了一种热浸蘸方法系统研究了 Ni-Al固-液界面反应机理。Ni-Al固-液界面反应产物为Al3Ni2与Al3Ni,反应产物的类型不受反应时间与反应温度的影响。通过固态Ni在纯液态Al与Ni饱和液态Al两个反应体系的比较研究,发现在恒温条件下Ni-Al固-液界面结构不存在金属间化合物,界面仅仅发生了固态Ni向液态Al中的溶解与扩散过程。在冷却过程的过程中,Al3Ni2层由反应扩散机制形成,而界面Al3Ni则主要为冷却过程中依附于Al3Ni2结晶形成。Ni向固态铝中的溶解对Al3Ni的形态有显著的影响,进而会影响后续焊接接头力学性能。因而,系统地研究了 Ni在液态铝中的溶解动力学行为,发现了固态Ni在液态铝中的溶解厚度与时间具有良好的线性关系,确定了不同温度条件下固态镍在液态铝中的溶解速率常数,建立了Ni溶解厚度数学模型,实现了 Ni溶解厚度准确计算。随固态Ni中的Fe含量从1%-20%增加,界面反应层逐步由锯齿形态转变的层片状,界面金属间化合物的形成由液相析出机制向反应扩散机制转变,界面金属间化合物的成分未发生变化。 基于固态Ni在液态铝中的溶解动力学行为和Ni过渡层钢-铝异种金属单激光熔钎焊试验,确定了 Ni过渡层钢-铝异种金属熔钎焊宜采用高速焊接方法,进而开发了 Ni过渡层钢-铝异种金属激光-电弧复合热源对接熔钎焊新方法。系统研究了 Ni过渡层钢-铝异种金属激光-电弧复合热源焊接工艺与接头特性,探明了激光-电弧复合熔钎焊工艺窗口及工艺参数对接头成形的影响规律。复合焊接方法极大程度的提升了焊接过程的稳定性,获得了良好的单面焊双面成形接头。 研究发现,依赖焊接过程中根据热输入,焊接温度场的不均匀性导致界面存在着溶解和局部微熔两种连接模式。当焊接热输入较小时,液态Al与固态Al形成钎焊连接,界面结构为Al/Al3Ni/Al3Ni2/Ni,反应层平均厚度一般低于2μm,其中Al3Ni呈朝向Al的锯齿状,Al3Ni2呈连续层状且厚度较低,Al3Ni2在部分参数条件下难以观察。随着热输入的增加,在Ni过渡层钢上方出现了局部微熔化现象,在该局部熔化反应区内形成AlNi、Al3Ni2、Al3Ni和少量残余的Al;并且热输入增加会引起游离Al3Ni增多,但对钎焊界面微观结构没有明显影响。接头力学性能研究表明,制备Ni过渡层后接头抗拉最高抗拉强度达到195.6MPa,此时接头可沿铝母材断裂。接头抗拉强度低于此值时均沿界面脆性Ni-Al化合物断裂。相比无Ni过渡层接头最大抗拉强度提高了 87.5%。在焊接条件下,随熔覆层中Fe含量增加,界面微观组织形态由锯齿状逐渐向层片状转变,界面反应层厚度也逐渐增加。Fe含量控制在5%以内对界面形态与拉伸性能没有明显的恶化。三点弯曲测试表明,Ni过渡层钢-铝异种金属接头最大横向弯曲角度为90°,最大纵向弯曲角度为76.5°,与裸钢-铝异种金属接头相比分别提高了 117.6%和42.14%。 建立了激光-电弧复合焊接有限元温度场模型,研究了工艺参数对焊接热循环特征的影响,实现了界面微观组织结构的预测。结合恒温条件下的溶解厚度模型,建立了焊接热循环条件下的Ni层动态溶解厚度模型和界面金属间化合物平均厚度预测模型,分析了接头力学性能的调控机理。焊接热输入高于680J/cm可实现良好焊缝成形,结合有限元分析焊接过程热输入控制在900J/cm以内可以抑制Ni层熔化。在确保Ni过渡层不熔化的前提下,接头正反面良好润湿铺展即

关键词： 电弧增材制造   激光超声   缺陷检测   自动化检测系统   核电主管道  

摘要： 增材制造技术已经成为全球科技和产业竞争的焦点,其中,电弧增材制造技术具有材料适应范围广、成形效率高、成本低等优势,在航空航天、船舶、汽车等领域得到了广泛应用研究。电弧增材制造过程熔池行为复杂,温度场难以控制,不确定性大,受工艺参数波动和环境因素的影响,极易产生孔洞、裂纹、未熔合、夹杂等各类缺陷。相较于传统缺陷检测技术,激光超声是一种非接触式、高精度和高灵敏度无损检测技术,具有实现电弧增材构件在线原位检测的潜力。但也面临许多难题,如缺陷定位定量检测、缺陷成像特征识别和电弧增材复杂表面对检测造成的干扰等。 针对上述问题,本论文对电弧增材典型缺陷的激光超声定位定量检测技术方法及自动化检测系统开展深入研究,具体内容如下: (1)根据激光激发超声波的基本原理,建立了热弹机制和融蚀机制激光超声有限元模型,通过声速和声场的仿真与实验对比验证了有限元模型。进而分析了激光参数对表面波、纵波和横波时频特性的影响规律,以及固体表面形状对激光超声场声分布的影响规律,获得了平面、不同半径凸面和凹面下纵波和横波声场指向性图,为电弧增材制造构件缺陷激光超声检测参数选择和工艺设计提供了理论依据。 (2)根据超声在不同介质界面的反射和波型转换定律,计算得到了激光超声声压反射率和入射角的关系曲线,以及激光超声与规则反射体的作用规律。提出了典型缺陷的激光超声定位定量检测方法,实现了直径0.1 mm内部气孔的检测。基于步进式仿真,得到了典型缺陷的仿真B扫和D扫图像,并开展了实验验证。研究结果为缺陷类型识别提供依据。 (3)基于多尺度分析提出了电弧增材制造表面轮廓的数学表征方法。通过仿真,研究了激光超声在电弧增材制造表面的传播特性,即粗糙度轮廓造成表面波随机散射衰减,产生纵波和横波,波纹度轮廓造成表面波在轮廓波谷处发生较大能量的波型转换。建立了具有不同类型缺陷的激光超声检测仿真模型,研究了电弧增材制造表面轮廓对缺陷检测的影响规律,即纵截面轮廓粗糙度使检测信号产生较大噪声,影响内部气孔检测。横截面轮廓波纹度使表面波衰减,影响表面裂纹检测的扫查速率。最后,制备了具有不同表面轮廓特征的电弧增材试样并预制人工缺陷,对上述影响规律开展了实验验证。 (4)根据电弧增材表面轮廓对激光超声检测造成的影响,对检测信号进行改进自适应噪声完备集合经验模态分解,通过相关系数和平均功率分析区分含噪声和未含噪声的内涵模态分量。对含噪声分量进行小波包变换降噪,然后与未含噪声分量重构得到降噪信号和图像。经过降噪处理,缺陷检测的信噪比提升了9.717 d B,检测效率提升了66.6%。 (5)以某核电主管道管嘴为检测对象,根据管嘴增材和检测工艺参数,设计了基于“逐层增材,分层检测”原理的“增材–检测”多工序协同控制方法,保证增材过程和检测过程的时间空间匹配。设计了基于工业机器人的激光超声自动化检测系统,开发了激光超声检测成像软件,实现了核电主管道管嘴电弧增材制造过程的激光超声自动化检测。

关键词： 异质双丝电弧增材制造   原位合金化   合金元素   新型钛合金   力学性能  

摘要： Ti-6Al-4V具有密度低、比强度高强等优点,被广泛应用于航空、汽车等行业。采用丝材+电弧增材制造技术制备Ti-6Al-4V零件可以实现近净成形,极大的避免了复杂形状零件制备过程中的材料浪费和大量的二次再加工。然而增材制造的Ti-6Al-4V零件存在沿竖直方向生长的粗大柱状晶粒,导致性能降低,限制了其应用。为此,本研究采用双丝+电弧增材制造技术添加Cu、Ni元素实现原位合金化,抑制柱状晶粒的生长,进一步提高零件的强度,具体研究内容如下:首先,开展了添加Cu元素对Ti-6Al-4V组织性能影响机制的研究,制备了新型的Ti-6Al-4V-xCu钛合金。研究表明,添加Cu元素抑制原始β晶粒的跨层生长,消除了原始β晶粒的柱状形态,实现柱状晶向等轴晶转化,晶粒和板条的尺寸明显减小。随着Cu元素的增加,α-Ti形态将从板条依次转化为针状组织和类等轴晶。并析出金属间化合物Ti2Cu产生沉淀强化显著提高了构件的强度。其次,进一步采用生长限制因子Q更大的Ni元素制备新型的Ti-6Al-4V-yNi钛合金,主要研究了不同含量的Ni元素对Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响。添加Ni元素得到了等轴的原始β晶粒,并在Ti-6Al-4V-xCu合金的基础上进一步细化了晶粒和板条的尺寸。随着Ni含量的增加,Ti-6Al-4V-yNi合金中的α-Ti一直保持针状组织的状态。析出金属间化合物Ti2Ni产生沉淀强化显著提高了构件的强度。最后,将两种合金元素进行对比,阐明Cu、Ni元素对Ti-6Al-4V合金组织转变和力学性能的影响机制以及不同合金元素影响的差异。合金元素通过提高固-液界面前沿的过冷度促进形核,阻断柱状晶的跨层生长,得到等轴晶粒,同时细化原始β晶粒。Q值越高,合金元素的细化效果越明显。合金元素的富集和金属间化合物的析出会阻碍α-Ti生长,细化其尺寸,并改变其形貌。而金属间化合物的含量随着元素含量的增加而增加,构件的硬度也逐渐增加,抗拉强度呈现先增后减的趋势,构件的延伸率逐渐降低。

关键词： 2319铝合金   CMT电弧增材制造   稀土元素   微观组织   力学性能  

摘要： 铝合金拥有质轻、强度高和低温性能好等特性,已被广泛用于高强结构件中使役;其CMT电弧增材过程中受限于材料的本征特性,易使得构件组织粗大且均一性低、气孔缺陷多,进而导致材料力学性能低。针对上述问题,本文选用混合稀土添加量为0.3%的2319铝合金为研究对象,采用CMT增材技术实现了其构件的制备,分析了成形工艺参数与构件间的影响规律,解析了构件组织与性能间的效应关系;同时,对比分析了未添加稀土2319铝合金增材件的组织和力学性能,系统研究并揭示了稀土添加对其构件微观组织和力学性能的影响行为。论文的主要研究成果如下:(1)明确了稀土2319铝合金的增材成形行为,解析了增材工艺参数对构件气孔缺陷的影响规律。送丝速度、焊接速度和层间等待时间对构件的成形和气孔缺陷具有显著影响;其中,送丝速率为5.5 m/min、焊接速度为0.402 m/min和层间等待时间为80 s时,构件拥有良好的成形性和较少的气孔缺陷。(2)对比研究了未添加稀土2319铝合金构件的微观组织。研究表明:稀土添加后构件沉积层各区域微观组织均存在不同程度的晶粒细化和等轴化,中部区域平均晶粒尺寸由66.84μm减小到36.06μm,细化了46.1%,且尺寸大于80μm的粗大晶粒完全消失。(3)阐明了稀土添加对2319铝合金构件力学性能的影响。较未添加稀土2319铝合金力学性能(平均显微硬度68.1 HV、水平方向和垂直方向上的抗拉强度分别为246.8 MPa和238.8 MPa)而言,稀土2319铝合金增材件的平均显微硬度增加到97.4 HV,提高了43.02%;水平方向和垂直方向上的抗拉强度分别为274.8 MPa和255.2 MPa,提升了11.35%和6.87%,但构件在水平和垂直方向上的延伸率均存在较大程度的降低。(4)探究了稀土强化2319铝合金力学性能的作用行为。稀土元素良好的溶质作用、异质形核作用和晶内净化作用,使得沉积层形成了更多的等轴晶且晶界处析出较多的第二相,从而增加了构件的显微硬度及抗拉强度,而降低了构件的延伸率;断口由典型的韧性断裂转变为脆、韧混合型断裂。

关键词： 电弧增材制造   空间几何变换   高效组合切片   复合路径规划   数据处理软件  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术基于焊接工艺,通过对三维模型进行数据预处理、切片与路径规划等步骤,生成WAAM系统可识别的指令信息文件以驱动WAAM设备逐点、线、面熔化金属丝材,实现零件的快速堆积制造。相比激光、电子束增材制造,因其沉积效率高、制造成本低、生产周期短等特点,尤其适合制造中大型金属复杂结构件,在航空航天、交通运输、建筑等行业具有广泛的应用前景。切片与路径规划是WAAM模型数据处理的关键步骤,其算法设计的合理与否直接决定模型数据的处理效率、影响零件的表面成形精度和质量等,因此针对面片数较大的复杂拓扑模型,设计适应WAAM工艺的高效切片与路径规划算法十分迫切。本文对面片数较大的复杂模型的高效切片和路径规划算法进行了深入的研究,主要完成的工作如下:(1)针对STL模型的两种文件格式,分别设计了相应的读取算法。采用齐次坐标表示空间点、向量和矩阵,封装了平移、旋转和缩放功能函数,实现了对STL模型的位姿、大小等的空间几何变换。基于VTK实现了STL模型的数据可视化,相比Matplotlib可视化方法,其效率较高、交互性好,能清晰展示模型的纹理。(2)提出了一种插值查找的层高匹配算法,该算法可以快速在切片层高列表中查找和匹配与STL模型面片相交的截平面,与传统层高匹配算法相比,在模型面片数和切片层数较大时,其算法时间节省率可达43.28%以上。通过构建一种连接点数据结构,实现了基于字典键值对的线段拼接算法,与传统拼接算法相比,在模型面片数和切片层数较大时,其散乱线段拼接效率有质的提升。基于插值查找的层高匹配截交和字典键值对线段拼接算法,实现了STL模型的高效组合切片算法,与传统切片算法相比,该算法可以快速准确地生成模型的每层切片轮廓,算法时间节省率达到90.04%。(3)针对传统路径规划算法因自交和互交导致计算复杂、算法鲁棒性差等问题,采用Clipper库的多种布尔裁剪与填充功能,分别实现了STL模型切片层的全局连续性轮廓偏置路径规划算法和zigzag路径规划算法,在模型面片数和切片层数较大时,前者算法运行时间小于100s,后者仅需10s。结合轮廓偏置路径边界还原度高和zigzag路径算法效率高的优点,依据WAAM的焊道熔宽尺寸和最佳搭接间距,实现了WAAM的复合路径规划算法,并对其zigzag路径的填充方向与路径段数进行了优化,最后对算法进行测试,结果表明,该算法可以生成布满STL模型整个切片层的复合路径,路径的边界还原度和切片层内部的填充致密度较好,算法效率较高。(4)基于上述STL模型读取与可视化算法、高效组合切片与复合路径规划算法,采用Qt Designer和Py Qt6开发了WAAM模型数据处理软件。为了验证该软件的有效性,采用三因素三水平的试验方法获得了形貌较好、宽高尺寸较稳定的焊道;再根据焊道间最佳搭接间距,利用开发的软件对模型进行了切片与路径规划,并导出某一层的加工文件,最后通过WAAM堆积实验,验证了该软件的可行性。

关键词： 电弧熔丝增材制造   超声冲击   组织性能   成形工艺  

摘要： 电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)是一种通过程序控制进行金属材料逐层沉积的先进制造技术,可以在较短的时间内高精度地生产复杂形状的零件,减少传统机加工的复杂工序,越来越受到工业制造领域的关注。由于在WAAM制件成形过程中具有高温梯度、高冷却速率和再热处理效应,这会使制件的组织粗大且分布不均匀,造成力学性能较差和各向异性等问题。因此本文首先进行电弧熔丝增材制造基础成形工艺的研究,然后对WAAM多道多层制件的微观组织及力学性能特征进行表征分析,针对WAAM制件的组织不均匀和力学性能各向异性问题,通过在制件成形过程中进行层间超声冲击处理,对制件的微观组织和力学性能进行改善。针对电弧熔丝增材制造多道多层的成形特点,研究了成形工艺参数对单道单层以及单层多道成形质量的影响。研究发现:纯Ar保护气体中添加一定比例的CO,会使焊缝液态金属流动性增加,提高焊缝的成形质量,但过量的CO浓度会导致表面氧化,2.5%CO+97.5%Ar混合气体为较优选择。相比CMT,CMT+P电弧模式焊接热输入更高,单道焊缝的铺展性更好,具有更大的宽高比和更小的接触角,更利于增材制造的多道搭接成形。单层多道制件的表面平整度随着道间搭接率的增加,呈现出先增加再减小的趋势,在搭接率为40%时平整度最佳;而单道焊缝的宽高比越大,单层多道表面平整度越好。通过对多道多层块体制件的不同截面进行金相和SEM观察后发现:制件整体微观组织主要由奥氏体和不同形貌的δ铁素体组成,还存在少量的CrC析出相。制件中存在典型的外延生长奥氏体柱状晶,并且其生长方向平行于成形方向(Z)。随着制件成形过程中由底部至上部的冷却速度不断降低,其组织随之变得粗大,由细小的胞状枝晶变为有明显生长方向的粗大奥氏体柱状晶,二次枝晶臂间距由7.3μm增加至15.2μm,冷却速度的降低使铁素体含量由6.61%减小至5.18%。制件整体组织分布不均匀也导致了其显微硬度由底部(215.6 HV)至上部(204.1 HV)有降低的趋势。对多道多层制件沿不同方向进行拉伸和冲击测试,发现其拉伸和冲击性能沿水平方向(X和Y方向)和成形方向(Z方向)均存在各向异性。对于拉伸性能,沿制件Y方向的抗拉强度和屈服强度比Z方向分别高82.5 MPa和61.7 MPa,而断后延伸率低7%;对于冲击性能,Z方向的冲击韧性比X和Y方向分别高30.34 J/cm和23.27 J/cm;拉伸和冲击断口中均分布着大量的韧窝,其断裂形式均为韧性断裂。对超声冲击和未超声冲击的多道多层制件的微观结构进行表征分析,结果表明:制件在进行层间超声冲击处理后会在后续沉积层的热效应下发生再结晶,使晶粒得到细化,平均晶粒尺寸由358.6μm减小至173.8μm,平均晶粒长宽比由3.14降低至1.93;再结晶引起的晶粒细化阻断了柱状晶的外延生长,使沿成形方向取向集中的粗大柱状晶转变为取向随机的等轴状晶粒,超声冲击后沿成形方向集中的<100>织构被削弱,织构取向较为随机,最大织构强度由21.88降低至7.83,制件微观组织的均匀性得到提升。超声冲击处理后制件的晶粒细化和组织均匀化使其力学性能有所提升,并改善了其各向异性。

关键词： 增材制造   Al-Cu合金   热处理   析出相  

摘要： Al-Cu合金因密度低、强度高、耐热性好等优点广泛应用于航空航天等领域。电弧增材制造(WAAM)技术可以在保持或改善部件性能的前提下节省原材料,缩短制造周期,降低成本。然而WAAM Al-Cu合金依然存在缺陷较多、机械性能偏低和各向异性等问题,微铸锻工艺的加入有望改善这些问题。除了优化增材制造工艺外,对Al-Cu合金进行热处理也是工业上常用的提升合金机械性能的方法。然而增材制造合金的组织结构与铸造合金不尽相同,因此传统的热处理工艺不一定适用于增材制造Al-Cu合金。本文以微铸锻增材制造Al-Cu合金为研究对象,系统的研究了传统T6处理及双级时效处理WAAM Al-Cu合金微观组织演变及析出行为对力学性能的影响,还探究了300℃热暴露过程中析出相的演变及WAAM AlCu合金的断裂失效机制。主要研究结果如下:微铸锻能消除WAAM Al-Cu合金沉积过程中的大部分凝固缩孔,T6热处理后由于氢的析出形成了高密度的细小微孔。原有孔隙的轻度粗化主要受微孔的合并或Ostwald熟化的控制。经T6处理后,沉积态中在晶界连续或半连续分布的共晶组织大部分溶解于基体中,在晶粒内部仍保留有未溶解的θ和高密度的针状θ′′相。T6处理后合金的极限拉伸强度和屈服强度分别达到454±24 MPa和357±17MPa。WAAM Al-Cu合金在室温下的强化机制主要是析出强化。双级时效处理工艺相比于T6处理可以进一步提升合金的力学性能,尤其是合金的高温性能。这主要是因为沉积过程中形成的众多晶界富Fe相在高温下非常稳定,能有效防止晶界滑移;另外合金在一级时效温度下形成了更多的GP区,合金能析出高密度θ′′相。双级时效WAAM Al-Cu合金在300℃下的高温抗拉强度和屈服强度可以达到340±2MPa和314±4 MPa。热暴露过程中合金性能在0-1h内剧烈下降,合金中与基体呈共格关系的θ′′相快速转变为与基体呈半共格关系的θ′相,并且θ′相会快速粗化,数密度下降。在2-48h合金性能基本稳定,合金中θ′相的尺寸及数密度存在波动但变化不明显。增材制造Al-Cu合金在300℃下的抗拉强度和屈服强度稳定在199±3 MPa及151±2 MPa左右。另外结合原位观察实验证实晶界上连续或半连续分布的共晶组织和孔隙缺陷是导致沉积合金断裂的主要因素。时效热处理消除了大部分共晶组织,然而热处理中进一步增加的孔隙缺陷依然是微裂纹萌生的主要位置。热暴露后,部分共晶组织重新出现在晶界上,其与孔隙缺陷共同影响了Al-Cu合金的断裂性能。

关键词： 电弧增材制造   AC交叉耦合电弧   电弧行为   熔滴过渡   稳定性研究  

摘要： 电弧增材制造技术因其高度柔性、技术集成度高、沉积效率高、材料利用率高、设备成本低等优点,具有广阔的发展前景。但目前电弧增材制造依旧面临众多问题,如热输入大导致的晶粒粗大,焊丝成分单一使得构件无法满足复杂应用需要。为实现良好组织性能梯度功能材料的电弧增材制造,在现有TIG电弧增材制造的基础上引入“双丝+AC交流”,在增大制造效率的同时,通过交叉耦合电弧所产生的绕弧行为对熔池进行搅拌,进而实现梯度功能材料制造过程中的组织均匀化,以提高构件组织性能。本文主要针对双丝AC交叉耦合电弧增材制造过程中所产生物理行为进行分析与研究,通过实验与模拟相结合的手段,对双丝交叉耦合电弧增材制造过程稳定性与可行性进行论证,为该工艺的进一步自动化、智能化控制提供理论基础。首先建立Ti-Ni双丝AC交叉耦合电弧增材制造平台,应用该平台,通过对Ti-Ni双丝送丝比例的调控,实现了对Ti-Ni梯度材料的高质量快速制造,在沉积过程中,主电弧收交流电影响进行周期性摆动,实现对于熔池的搅拌作用,使得镍元素在池中均匀分布,保证了组织的均匀性,成功制备了具有梯度功能的Ti-Ni合金,证明了该工艺在梯度功能材料的制备中的可行性与先进性。为了更好的对工艺参数进行优化,对制造过程的进一步优化进行理论指导,对过程中熔滴过渡,电弧摆动等物理行为的研究显得尤为重要。首先通过高速摄影原位观测,对双丝交叉耦合电弧增材制造中的熔滴过渡模式和电弧摆动行为进行分析,揭示沉积成型质量的影响因素,以及工艺稳定性的关键机制。实验表明,在TIG提供的主弧电流为100A,双丝交流电弧电流为10A的情况下,双丝在不同的进给速度下可以观察到三种不同的液滴过渡模式,即"自由过渡+自由过渡、搭桥过渡+自由过渡、搭桥过渡+搭桥过渡"。相应的沉积和电弧摆动的质量也有很大不同。通过对比分析,发现双丝之间间接电弧的频繁熄弧与再起弧是导致增材制造过程不稳定的主要因素。而"搭桥过渡+自由过渡"模式可以获得较大的电弧摆动角度和稳定的沉积,其中交叉电弧对熔池有明显的搅拌作用,所得构件成型良好。建立了双丝AC交叉耦合增材制造过程焊丝熔化行为模型,通过MATLAB/SIMULINK编程软件进行数学模型仿真分析,研究了各种工艺参数对模型稳定性的影响。通过仿真结果分析,双丝交流电流的阶跃将使得熔化速度突增,而导致交流电频繁地处于起弧与熄弧的临界状态,将严重影响增材制造过程稳定性,而TIG电流变化对于系统稳定性的影响小于交流电流变化对稳定性的影响。在保证足够送丝速度的情况下,双丝交流电流与TIG电流的增加均会造成双丝熔化速率的提高。送丝速度的改变对于系统稳定性的影响不大,改变送丝速度,双丝尖端位置将达到新的平衡位置。对于两根焊丝来说,送丝角度的增大均会造成干伸长的增加,而左侧焊丝与右侧焊丝送丝角度的改变,将对另一根焊丝造成截然相反的影响。为了更好地理解电弧摆动机理,使用COMSOL Multiphysics数值模拟软件建立了双丝AC交叉耦合电弧数值模型。利用该模型进行了多物理场耦合计算,分析了不同交流电与不同钨极电流下的电弧形态和特性分布。通过计算结果分析,得出以下结论:随着交流电流和TIG电流增大,电弧的电流密度和温度都会提高。交流电流的改变对电弧摆动行为产生较大影响,随着交流电流的增大,电弧的摆动角度也增大。在交流电流为30A时,可以得到较好的电弧摆动行为。而TIG电流的增大不会影响电弧摆动行为,但会对电弧的电流密度分布和温度场产生较大影响。