关键词： GTA-AM   Move It-Gazebo仿真   成形形貌   视觉传感   熔敷尺寸控制  

摘要： 电弧填丝增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)凭借高沉积速率和毫米级分辨率等优势,引起了各界研究机构广泛关注。该技术符合绿色制造、高效低碳、低成本的发展理念。当前自动化增材制造以GMAW、CMT等丝材接触形成回路的焊接方式为主,对于自动化、GTAW以及成形过程控制的研究相对较少。因此,本文以GTA-AM成形的封闭单道多层薄壁构件为研究对象、以提高GTA-AM过程中的熔敷层尺寸稳定性和成形质量为研究目标。结合3D模型,采取不同位置依次起(熄)弧的控制策略,消除了起弧端高、熄弧端低的缺陷;同时对熔敷尺寸进行视觉传感检测以及闭环控制等进行了深入研究。本文的研究丰富了WAAM过程控制的理论成果。通过观察不同工艺参数下熔敷层成形形貌,获得合适的单道多层工艺参数范围。同时深入探讨了熔敷电流、熔敷速度、送丝速度对单道多层结构件成形的影响。结果表明,当熔敷电流低于70A时,基本不成形;在熔敷电流70～100A的范围内,熔敷电流、熔敷速度、送丝速度对成形均有一定的作用;当熔敷电流大于100A时,随着熔敷电流的增大,流淌现象的概率增加,而熔敷速度与送丝速度对成形影响不大。证明熔敷电流是决定单道多层薄壁结构件能否成形的关键因素。本文采用二次回归旋转组合设计方法建立了熔敷层尺寸-工艺参数的数学模型。该模型的预测值与真实值吻合良好,能够较好地预测实际试验过程中熔敷层尺寸与熔敷工艺参数的关系。在实际成形过程中,发现GTAW存在延时性,需要降低熔敷电流与送丝速度,避免过大的热积累造成“坍塌”现象。在上述研究内容的基础上,分析了定送丝熔敷速度比、变送丝熔敷速度比对成形质量的影响。保持其他工艺参数不变,送丝速度与熔敷速度的比值为定值时,随着熔敷电流的增加,单道多层结构件的粗糙度增加,成形质量下降。当送丝速度与熔敷速度比值发生变化时,保持熔敷电流不变,单道多层将结构件的粗糙度随熔敷速度的增加而增加;保持熔敷速度不变,随着熔敷电流增加,结构件粗糙度呈现先降低后增大的趋势,当熔敷电流为90A时,结构件粗糙度最低,成形质量最好。为了检测GTA-AM过程熔敷尺寸,设计了双目视觉传感器,将检测宽度视觉传感器和检测高度视觉传感器联合,并对获取的熔敷层尺寸图像进行高斯滤波去噪、Sobel算子边缘提取、Hough变换拟合,实现熔敷层尺寸的检测,为后续的控制器设计和模型设计建立基础。设计了笛卡尔空间轨迹规划、关节空间轨迹规划和ROS轨迹规划仿真。研究了笛卡尔空间轨迹下直线插补和圆弧插补的方法,采用单位四元数姿态进行插补,在保证平滑过渡的同时,规避了奇异性问题;对比分析3-5-3混合插值方法和3-3-3混合插值,表明3-5-3混合插值的优越性,避免了柔性冲击;利用Rviz可视化平台对模型进行验证,利用Move It测试机器人,并与Gazebo建立联合仿真平台,实现机器人控制器参数设定。最后在ROS仿真系统中进行轨迹仿真,实现对机器人的规划控制,同时验证了ROS系统仿真的有效性。通过对熔敷电流和熔敷速度进行阶跃响应试验,分析了熔敷电流、熔敷速度阶跃响应的特点。发现了成形过程存在非线性、时滞性等特征。设计了单神经元自学习控制器和自适应控制器,PSD控制器以熔敷层宽度为输出控制量、熔敷速度为输入控制量,并通过仿真试验和干扰性试验验证其性能。自适应控制是以熔敷层高度的稳定性为控制目的,对钨极到熔敷层上表面距离进行宏观检测和自适应细微调整。为了验证视觉传感与闭环控制的有效性,利用GTA-AM成形了“方框”、“方瓶”和“瓶子”三种几何构件。结果表明,结构件成形良好,成形质量稳定,熔敷层尺寸精度控制在0.4mm以内,PSD控制和自适应控制成效显著。

关键词： 镍铝金属间化合物   电弧增材制造   组织演变   高温氧化   动态冲击  

摘要： 镍铝金属间化合物具有高熔点、高抗氧化性等特点,是潜在的新一代高性能材料。但是由于其存在塑韧性差、可滑移面少等缺点,限制了其实际应用。因此,本文运用电弧增材制造系统,以镍丝和铝丝为填充材料,构建了硬质强化相（镍铝金属间化合物）和软质层（Ni）交替沉积的多层结构。通过对层内及界面组织及析出相的表征,探讨了热过程和成分变化条件下的组织演变机理和γ'-Ni3Al相的析出长大行为,并研究了多层镍铝合金的高温氧化行为和动态冲击性能。研究结果表明: （1）在电弧增材制造产生的复杂热过程以及层状镍/镍铝金属间化合物成分变化的条件下,多层镍铝合金组织形成了梯度分布。沉积层内部经历后续热过程的Ni层组织由柱状晶组织转变为类球状γ-Ni/γ'-Ni3Al双相组织,使得其显微硬度由于γ'强化相的存在明显高于未经历额外热过程的表面Ni层的显微硬度;经过后续热过程的沉积层内部Ni Al层组织经历了从M-Ni Al、M-Ni Al+类球状γ-Ni/γ'-Ni3Al到γ-Ni/γ'-Ni3Al+立方状γ'-Ni3Al的转变,其显微硬度呈现出先降低后升高的趋势。 （2）在电弧增材制造过程中,由于热过程和成分变化的影响,形成梯度分布的多层镍铝合金中的γ'-Ni3Al相形貌发生了变化。在沉积Ni Al层时,由于冷却速度较快,使γ'-Ni3Al相的形核驱动力增大,促进γ'-Ni3Al相爆发式形核的同时缩短了Ni Al层凝固时间,导致γ'-Ni3Al相来不及长大,呈类球状;当Ni Al层被后续沉积层重新加热时,此时冷却速度相对较慢,γ'-Ni3Al相形核密度低且基体中γ'-Ni3Al相形成元素发生了充分扩散,促进了γ'-Ni3Al相充分长大。当γ'-Ni3Al相和γ-Ni相在界面附近达到局部成分平衡时,γ'-Ni3Al相停止长大。之后将降低总自由能来驱动γ'-Ni3Al相的进一步粗化:由类球状向立方状转变。 （3）在1000℃高温氧化过程中,Ni层在氧化前期生成的类球状Ni O被后续生成的类球状Ni O挤压成块状,最终在表面形成了一层类球状和块状Ni O共存的致密氧化膜;Ni Al层Ni O与Al2O3反应生成Ni Al2O4尖晶石,消耗片状Al2O3薄膜的面积,最终在Ni Al层表面形成了外表面为Ni O,内表面为微量Al2O3和Ni Al2O4的致密氧化膜。另外,由于Al元素含量和在氧化过程中形成的片状Al2O3薄膜覆盖面积的差别,导致Ni:Al沉积比为2:2的沉积层的氧化增重速率较小。 （4）采用霍普金森压杆测试多层镍铝合金在动态冲击下的力学性能,发现在相同冲击气压下,Ni:Al沉积比为1:1的沉积层具有更好的综合性能,益于抵御冲击带来的瞬时打击。两种沉积层最大极限抗压强度差值为688 MPa。观察断口形貌发现,沉积层在不同冲击气压和温度下均呈现出脆性断裂和韧性断裂共存的断裂模式;温度的升高导致热软化占据主导地位,促进了熔融区域的生成,加剧了沉积层的变形能力。

关键词： 电弧增材制造   TA15钛合金   活性剂   显微组织   力学性能   耐腐蚀性  

摘要： TA15(Ti-6.5Al-2Zr-1Mo-1V)钛合金作为一种典型的近α钛合金,其主要特点是比强度高、耐腐蚀性强、热稳定性好、焊接性能好、成形性好等。如今在船舶与海洋工程、航空航天、医疗等领域应用广泛。电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)具备沉积效率高、成形尺寸大、制造成本相对低等优势,可有效解决传统钛合金制造工艺中高能耗、长生产周期、材料利用率低等一系列问题,为钛合金生产工艺创新提供新的发展机遇,促进了钛合金的利用和发展。在传统电弧增材制备沉积态TA15的过程中,添加氟化物能够有效细化板状α相的尺寸,改善沉积态钛合金材料组织性能等。因此,研究氟化物对电弧增材制造沉积态TA15组织与性能的影响,进而改善沉积态TA15的综合性能具有重要意义。本文采用电弧增材制造技术制备沉积态TA15试样,并在成形过程中增加了添加氟化物的工序。通过金相显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计、力学拉伸试验机以及电化学工作站等探究添加不同氟化物对沉积态TA15试样的显微组织、力学性能以及耐腐蚀性能的影响,探寻出最佳的氟化物添加工艺,主要内容如下:首先,研究氟化物对沉积态TA15试样显微组织的影响。分析对比沉积态TA15试样在添加Ca F、Mg F、Ca F+Mg F活性剂前后显微组织的变化。研究发现,沉积态TA15试样的显微组织在添加Ca F、Mg F、Ca F+Mg F活性剂后主要是是由α相和β相组成的网篮组织并有集束组织出现。无添加时的原始沉积态TA15试样的板状α相尺寸为0.84μm;合金元素Al、V的含量分别为13.63%、3.75%;β相的体积占比为38.81%。添加三种氟化物之后,沉积态TA15试样的板状α相均得到了不同程度的细化、合金元素Al、V含量增多以及β相体积占比增加。当添加比例为8:2的Mg F活性剂时,板状α相的细化效果最佳,其平均尺寸可达到0.74μm左右,与无添加时的原始沉积态TA15试样相对比,板状α相的平均尺寸减小了11.9%。添加氟化物后会使电弧收缩,电弧能力密度提高,进而电弧热量更加集中,提高了冷却过程中的冷却速率,促进板状α相平均尺寸的细化。合金元素Al、V的含量分别达到了21.67%和4.91%,β相的体积占比达到了49.94%,与无添加时的原始沉积态TA15试样相对比,Al的含量增加了58.99%,V的含量增加了30.93%,β相的体积占比增加了28.68%。其次,研究氟化物对沉积态TA15试样力学性能的影响。无添加时的原始沉积态TA15试样的屈服强度为993Mpa,抗拉强度为1019Mpa,硬度为352HV。研究发现,在添加比例为8:2的Mg F活性剂时,沉积态TA15试样的力学性能改善效果最佳。在强度方面,沉积态TA15试样的抗拉强度和屈服强度分别提高到了1089Mpa、1019Mpa,与无添加时的原始沉积态TA15试样相对比,抗拉强度提高了9.67%,屈服强度提高了7.26%,氟化物的添加促进了板状α相的细化使得沉积态TA15试样强度增强。在硬度方面,维氏硬度可提高到392HV,与无添加时的原始沉积态TA15试样相对比,维氏硬度提升了14.2%,氟化物添加后沉积态TA15试样的α相稳定合金元素Al的含量明显增多,促进了沉积态TA15试样硬度的提升。塑性有所下降,这是由于添加氟化物后沉积态TA15试样的晶界α相变得粗大。同时,在晶界α相旁侧出现的集束组织也导致了沉积态TA15试样塑性的降低。最后,研究氟化物对沉积态TA15试样腐蚀性能的影响。对添加Ca F、Mg F、Ca F+Mg F活性剂的沉积态TA15试样进行电化学腐蚀实验,测定各组沉积态TA15试样的极化曲线,通过Tafel外推法获得腐蚀动力学参数,分析了添加氟化物前后对沉积态TA15试样耐腐蚀性的影响。研究发现,无添加时的原始沉积态TA15试样的Ecoor(腐蚀电位)为-0.395,Icoor(腐蚀电流)为6.384×10;在添加比例为8:2的Mg F活性剂时,沉积态TA15试样的Ecoor为-0.206,Icoor为1.42×10,沉积态TA15试样的耐腐蚀性能提升最优。这是由于沉积态TA15试样的α相的耐腐蚀性能高于β相,在添加氟化物后,沉积态TA15试样的α相的稳定元素Al的比例有着明显的增多且占据主导地位。因此,添加氟化物有利于沉积态TA15试样耐腐蚀性能的增强。

关键词： 点阵结构   电弧增材制造   成型工艺   微观组织及力学性能  

摘要： 随着工业界的技术发展和对轻量化设计的需求日益增加,如航空航天器材结构以及舰船甲板等领域,轻质多孔点阵结构材料备受关注。同时,材料制备和机械加工技术的不断进步同样推动了点阵结构的应用。以点阵结构为代表的轻质高强结构在重型装备制造领域具有重要的应用前景。当前,可制造性是制约其发展的重要因素。增材制造技术提供了一种新的技术途径,可以解决这一问题。 本研究以电弧增材制造技术为基础,提出高效制备不锈钢钢点阵结构的新方法,突破了传统加工方式的限制,实现了无支持杆件以及胞元结构的制备,并分析了实验样件的成型性能。本文具体研究内容如下: (1)在杆件成型工艺研究方面,探究了杆件的成型过程,并以此为基础分析了自由滴状过渡、接触滴状过渡、连续接触过渡三种不同的熔滴过渡方式,发现送丝速度是影响熔滴过渡的主要因素。探究了不同峰值电流、层间高度对杆件成型的影响和缺陷形成的原因。通过对相应工艺参数影响机理分析,得到了较为完善的杆件制备工艺参数窗口,这为制备点阵单胞提供了有力指导。 (2)在整体点阵结构制备方面,将点阵结构划分成杆件部分和节点连接部分。杆件部分通过改变熔滴体积和数量成功制备了不同直径的杆件,通过改变焊枪竖直位移和水平位移成功制备了不同角度的杆件。节点连接部分通过圆弧轨迹路径的方法进行连接,研究了主要工艺参数影响且确定了最佳节点熔道工艺。在完成了杆件和节点部分的制备工艺研究,成功制备出不同规格的点阵结构,获取实现点阵结构的稳定制备的工艺参数区间。 (3)对点阵胞元结构进行准静态压缩试验,探究了单胞点阵结构的力学性能和失效模式。同时采用有限元分析的方法研究了单胞点阵结构的压缩特性,并与实验结构进行了比较以验证模拟的准确性。在确定了模拟的准确性之后,利用ABAQUS对多胞元316LSS不锈钢点阵结构进行了压缩性能仿真,分析了其力学性能和失效模式。

关键词： 电弧增材制造   316L不锈钢   周期结构   热处理   各向异性  

摘要： 在金属增材制造技术中,电弧增材制造具有设计自由度高、生产周期短、材料和设备成本低、沉积速率和效率高、环境污染少等优点,特别适用于制造和修复具有中等几何复杂程度的大型零件,在各行业领域的应用中均具有巨大潜力。但电弧增材制造沉积过程涉及复杂的循环加热过程,包括快速加热和冷却、反复熔化和凝固以及定向散热等,导致电弧增材制造成型件中具有复杂的微观结构以及非平衡的显微组织,进而导致成型件表现出各向异性的性能。 本论文的研究对象为以最佳沉积参数沉积的电弧增材制造316L块状成型件,研究了成型件热处理前后组织、力学性能和形变行为、耐腐蚀和应力腐蚀性能及其相互依赖关系。利用金相显微镜、X射线衍射能谱、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等对成型件各平面及热处理前后的显微组织和微观结构进行了观察和分析;通过不同尺寸试样的拉伸实验和电化学腐蚀实验揭示了成型态显微组织与性能的各向异性的关系,以及热处理对性能的影响;利用原位拉伸实验揭示了微观结构中各区域的形变及断裂行为;通过腐蚀增失重和慢应变速率拉伸实验揭示了氧化膜结构以及微观结构对应力腐蚀的敏感性。得到的主要结论如下: (1)电弧增材制造316L块状成型件中各平面上不同的分层和周期结构以及层内不平衡的显微组织导致了各向异性的力学和耐腐蚀性能。在成型方向上分层结构主要体现为焊道层中铁素体形貌的变化,在垂直于扫描方向上周期结构体现为重熔区和搭接区交替出现。在同一层中,与搭接区相比,重熔区具有较低的铁素体含量、较小的奥氏体晶粒尺寸、较分散的取向和较低的残余应力。截面和侧面(平行于成型方向)上细长的奥氏体柱状晶使材料强度存在各向异性,而周期结构中重熔区和搭接区不同的形变行为使截面和顶面(分别垂直于扫描和成型方向)的延伸率严重降低。顶面上较少的道间熔合线以及熔合线附近较弱的元素偏析使其具有最好的耐点蚀性能,而截面上重熔区中较小的铁素体一次枝晶臂间距、较低的铁素体含量和较均匀的元素分布使其具有最好的耐均匀腐蚀性能。 (2)高温固溶退火热处理(1000℃以上)使层内显微组织均匀化,破坏了周期结构,极大地提高了材料的延伸率和耐腐蚀性能,消除了各向异性。1000℃及以下回复和均质化退火热处理对周期结构和柱状奥氏体晶粒无明显影响,仅改变了晶粒内铁素体和σ相的形貌和体积分数。1000℃及以下时,随着热处理温度的升高,铁素体逐步转变为σ相,第二相的体积分数逐渐降低,延伸率略有增加,材料强度及其各向异性程度降低,耐腐蚀性能降低。1000℃以上固溶退火热处理后,铁素体和σ相几乎溶解在奥氏体基体中,奥氏体晶粒发生再结晶,破坏了周期结构。1000℃以上时,随着热处理温度的升高,再结晶奥氏体晶粒的体积分数增加,材料强度下降,延伸率显著提高,耐腐蚀性能提高,各向异性基本消除。 (3)周期结构中重熔区和搭接区的形变和断裂取决于材料硬化和形变断裂的竞争。当拉伸方向垂直于周期结构时,周期结构的变形遵循等载荷模型,重熔区中较高比例的大角度晶界引发的位错塞积和晶粒转动激活晶界两侧晶内多滑移系开动,使重熔区的硬化率高于搭接区的硬化率,应变逐步集中于搭接区,搭接区优先发生局部颈缩,并发生断裂;当拉伸方向平行于周期结构时,周期结构的变形遵循等应变模型,重熔区中晶粒的转动诱发多滑移并促进孪晶形成,使重熔区的塑性高于搭接区的塑性,搭接区优先发生颈缩,并发生断裂。 (4)有别于室温环境的情况,高温高压水环境中周期结构等应变的形变行为有助于应力重新分布,平行于周期结构方向的应力腐蚀敏感程度较低,但其他方向的应力腐蚀敏感性较高。高温高压水环境中成型态和热处理后试样表面的氧化膜类型相同,氧化膜均由FeCr2O4和Fe3O4组成,但热处理后试样表面的氧化膜更加致密。高温高压水慢应变拉伸实验中,平行于周期结构拉伸时,周期结构有助于消除应力腐蚀裂纹萌生形成的局部应力集中从而促使材料整体均匀变形;而在其余方向的拉伸时,局部颈缩促进应力腐蚀裂纹萌生从而降低了延伸率。这导致平行于周期结构方向的应力腐蚀敏感程度较低,各平面延伸率的各向异性相反。

关键词： 电弧增材   倾斜薄壁   层间偏移量   温度场   应力与变形   力学性能  

摘要： 利用电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM)倾斜薄壁零件时,由于层间重熔以及应力分布不均,易导致基板翘曲变形,进而影响零部件的成形精度。为了明确增材倾斜薄壁件的成形机理和热力演化规律,本文建立基于层间重熔的倾斜薄壁件单道多层几何模型,分析高度差产生的原因,并提出了高度差补偿策略。通过设计基板的尺寸以及约束方式来控制基板变形,并分析基板的热力演化规律,为提高电弧增材零件成形精度提供理论指导。 建立基于层间重熔的倾斜薄壁件单道多层的几何模型,通过分析得知,在增材过程中,从第二层开始,每增材两层,会产生一个沉积层的高度差,下降高度与层间偏移量无关。基于等厚度分层算法,采用MATLAB建立高度差补偿策略模型,提出“沉积两层,补一层”的控制策略,将高度误差控制在4%以内。 采用COMSOL Multiphysics软件建立倾斜薄壁单道多层三维热-力耦合模型,对增材过程中的热力演化规律进行研究。层间偏移量增加时,对沉积层的温度影响较小,但熔池的高温区域逐渐减小,对基板的横向温度梯度影响较大。焊接电流增大,基板上的温度在升高;焊接速度增大,熔池内的最高温度不断降低;层间等待时间增长,熔池能够得到充分凝固,层间的环境温度降低。通过红外热像仪得出的数据验证模型的有效性。 根据温度场的分布规律,研究了基板尺寸以及约束方式对增材过程中应力变形的影响规律。随着层间偏移量的增大,基板的最大变形逐渐减小,在沉积层与基板结合处的等效应力逐渐增大。当基板厚度的增加,基板和沉积层变形会逐渐减小。对基板短边约束时,基板的变形对沉积层影响显著,对基板长边约束时,基板的变形对沉积层影响较小。与增材单道多层倾斜薄壁相比,同时增材多道倾斜薄壁时,合理的间距能够使基板的变形减小20%。通过VIC-3D非接触应变仪得出的数据验证了模型的有效性。 最后对不同结构的倾斜薄壁进行增材试验,探究不同工艺参数对成形表面质量和力学性能的影响。焊接电流影响沉积层表面成形质量,焊接速度主要影响倾斜薄壁的宽度,而熄弧电流和熄弧时间影响熄弧端的成形质量和高度。与竖直薄壁相比,倾斜薄壁的横向抗拉强度和伸长率均得到显著的提升。

关键词： Inconel 625   脉冲电流   各向异性   增材制造立方体  

摘要： Inconel 625合金以其优异的性能在船舶重要部件中发挥着作用,因其良好的可焊性、耐腐蚀性等,通常用以应对高温、腐蚀等恶劣工况。因此在船舶制造中具有很大的发展前景。电弧增材制造采用电弧作为热源,丝材作为增材材料,以其较高的增材效率和更低的成本逐渐受到各界的关注。 本文采用熔化极惰性气体保护焊技术,采用Inconel 625镍基合金丝材作为增材材料。通过设计并制造12组单道单层焊来研究脉冲与直流模式下不同工艺参数对焊道成型的影响。发现随着焊接电流、行进速度、干伸长度和电弧长度的变化而导致的焊道宽度变化规律。得到成型较优工艺参数范围:(1)脉冲模式下,电流范围为70-100A,干伸长度为9-14mm,行进速度为20-35cm/min,电弧长度为1-4mm;(2)直流模式下,电流范围为90-140A,干伸长度为9-14mm,行进速度为20-25cm/min,电弧长度为1-4mm。并使用多项式拟合出脉冲电流模式函数曲线,以增加增材效率。 通过制备单道多层焊增材墙体,研究了电弧增材制造墙体的微观组织和力学性能。Inconel 625微观组织中包含胞状晶、树枝晶、柱状晶和等轴晶等多种晶粒,随着成分过冷的发生,晶格类型从中心到边界依次为胞状晶、树枝晶、柱状晶或等轴晶。因其微观组织的差异和方向性而导致力学性能具有各向异性。通过拉伸性能测试和维氏硬度测试发现,当以相同热输入量为基准制备增材制造墙体时,脉冲电流的抗拉强度和硬度更大,但各向异性更强。当以相同电流参数为基准时,墙体各项异性有明显改善。 进行电弧增材制造立方体的研究。研究了不同搭接距离、焊接路径、电流模式和电弧长度对立方体成型的影响。发现稳定的电弧和更好的熔覆性对立方体成型有很大帮助,因此采用0.6倍搭接距离,使用脉冲电流进行连续焊接制作出70×70×75mm立方体,该立方体成型较好。由于连续焊接的持续加热,立方体内部微观组织受到热输入的方向较多,因此在同一区域通常含有不同方向的晶粒,通过拉伸实验发现该现象在一定程度上降低了各向异性。

关键词： 电弧增材   高温压缩   高温合金   热处理  

摘要： GH4169合金具有强度高、抗氧化性好、抗疲劳性能优异、能够在-253℃~700℃以上的高温和应力作用下长时间服役等特点，是许多重要耐高温零部件的首选材料，在航空航天等领域被广泛应用。传统的加工成形工艺不但生产开发周期长、成本高，且加工成形难度高。而电弧增材制造GH4169合金能够解决以上问题，于是电弧增材制造GH4169合金复杂零部件的需求随之产生。热加工工艺的开发及其控制对电弧增材制造GH4169合金高温性能具有很大影响。因此，对沉积态GH4169高温合金进行均匀化热处理及其高温变形行为进行深入和系统的研究具有重要意义。　　本文根据沉积态GH4169合金的均匀化热处理试验及高温压缩试验研究了其高温变形行为，分析沉积态GH4169合金在高温压缩过程中的流变应力曲线、微观组织演变，绘制沉积态GH4169合金的热加工图，通过分析热加工图确定其高温变形的最佳工艺参数，构建了沉积态GH4169合金高温压缩过程中的本构模型，主要研究内容如下。　　研究GH4169高温合金的电弧增材制造工艺，分析主要工艺参数对该合金成形形貌的影响，确定最佳工艺方案。实验结果表明：GH4169合金电弧增材制造采用纯氩气为保护气，保护气流量为15L/min，增材电流160A，增材速度16cm/min，焊道间搭接率为40%，层间温度控制在100℃以下。　　研究不同均匀化热处理工艺参数对沉积态GH4196高温合金微观组织的影响，确定最佳均匀化热处理工艺参数。通过观察不同均匀化热处理工艺参数下的沉积态GH4169高温合金的微观组织特征发现：当均匀化热处理温度一定时，随着保温时间的延长，沉积态GH4169高温合金组织内的柱状晶逐渐转变为等轴晶，平均晶粒尺寸呈逐渐长大趋势，Laves相体积分数逐渐减小，在保温90min后，平均晶粒尺寸长大至178.9μm，Laves相完全溶解。当均匀化热处理保温时间一定时，随着加热温度的升高，晶粒平均尺寸逐渐长大，Laves相体积分数逐渐减小，在加热温度为1200℃时，Laves相体积分数降低至0.64%，平均晶粒尺寸长大至170.3μm，此时沉积态GH4169合金组织内的柱状晶已完全转化为等轴晶。最终确定均匀化热处理参数为保温温度为1120℃，保温时间为90min。　　根据沉积态GH4169合金在不同工艺参数下的高温压缩实验数据，绘制真应力-真应变曲线，研究其高温变形过程中的流变应力变化以及微观组织演变，根据试验得到的真应力-真应变数据构建沉积态GH4169合金高温变形本构方程为：(ε)=2.80085×1019[sinh(0.00745σ)]5.35908exp(781250/RT)　　研究结果表明：当变形速率一定时，随着变形温度的升高，沉积态GH4169合金的流变应力逐渐减小;当变形温度一定时，随着应变速率的增加，沉积态GH4169合金的流变应力随之增加，但峰值应力和峰值应变随着变形速率的增加而降低。　　根据沉积态GH4169合金在变形温度为970℃~1120℃、变形速率0.001s-1~1s-1条件下的高温压缩实验获得的实验数据绘制热加工图，通过分析确定沉积态GH4169高温合金在高温变形过程中合适的加工参数为：加热温度1050℃~1120℃、变形速率0.001s-1~0.01s-1，为优化沉积态GH4169合金的高温变形工艺参数，避免热变形过程中的塑性失稳区域提供了理论支持。

关键词： NiTi形状记忆合金   电弧增材制造   熔滴过渡   超高频脉冲电流  

摘要： NiTi形状记忆合金(Shape Memory Alloys,SMAs)因其具有出色的超弹性、形状记忆效应和生物兼容性等功能特性,已被广泛应用于航空航天等领域。然而NiTi SMAs传统制备方法及高能束增材制造技术难以满足大尺寸复杂构件制造需求,且工艺过程中易引入杂质或产生气孔缺陷。基于非熔化极气体保护焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)的电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM),具有加工效率高、成形孔隙率低和构件力学性能好等优点,是一种较为理想的NiTi SMAs制造加工方法。目前国内外采用GTAW-WAAM技术制备NiTi SMAs的工艺方法尚处于起步阶段,成形构件延展性低且不具备超弹性;且基于异质基板增材制造NiTi SMAs冶金结合效果差,难以满足实际应用。因此,本课题基于GTAW研究了不同熔滴过渡和电流模式下NiTi SMAs WAAM及成形成性机理,制备了延展性高且超弹性性能优异的NiTi SMAs,提升了溶质混合区与异质基板的冶金结合效果,结合动态监测和材料表征试验,建立了相关的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模型,揭示了熔池动态规律、微观组织演变和溶质扩散机理。论文的主要研究工作如下:1.建立了NiTi丝高度(h=0.5-2.0 mm)与熔滴过渡模式的关系,揭示了不同熔滴过渡模式下的增材制造成形成性机理。结果表明,NiTi丝高度h由0.5 mm上升到0.75 mm,熔滴过渡模式从桥接过渡转变为自由过渡;与自由过渡相比,桥接过渡模式沉积层宏观形貌、晶粒尺寸和力学性能均有优化。2.建立了高效率高精度的熔滴过渡CFD-CFD耦合模型,研究不同熔滴过渡模式下的熔池动态特性和微观组织演变规律。结果表明,与自由过渡相比,桥接过渡模式熔池处于准稳态,熔池流动较缓;熔池温度梯度(G)与晶粒生长速率(R)决定了沉积层晶粒分布:熔池底部和顶部分别适合柱状晶和等轴晶生长。3.采用了基于直流叠加超高频(20 kHz)脉冲电流(简称叠加超高频电流)的NiTi SMAs WAAM方法,结合材料表征和数值模拟结果,揭示了叠加超高频电流下WAAM的细晶强化机理。研究表明,与直流模式相比,叠加超高频电流通过促进熔池振动,破碎并细化了凝固前沿晶粒,实现了细晶强化作用。叠加超高频模式试样在室温下表现出良好的超弹性,且相较直流模式试样,叠加超高频模式试样疲劳性能提升。4.研究了基于异质TA1钛合金基板的NiTi SMAs WAAM冶金连接及溶质扩散行为,揭示了叠加超高频电流对溶质混合区与基板之间界面结构的强化机理。研究表明,与直流模式相比,叠加超高频电流对熔池的振动作用有助于气泡逃逸、溶质均匀扩散和凝固前沿晶粒细化,提升了溶质混合区与基板的冶金结合效果。

关键词： Al-Mg(-Si)合金   力学性能   腐蚀性能   孔隙缺陷   电弧增材制造  

摘要： 电弧增材制造技术具有成形效率高，构件尺寸不受限制等优势，具有广阔的应用前景。然而，目前对于电弧增材制造铝合金中孔隙缺陷的形成规律以及演变过程尚不明确，同时对于此类合金耐蚀性相关问题的研究不够全面。本研究针对铝合金电弧增材孔隙缺陷、耐蚀性以及微观组织和力学性能等问题展开系统研究。　　本研究对AlSi7Mg和AlMg5两种增材制造铝合金中的孔隙进行了定量统计，并将统计结果进行线性拟合总结出孔隙形成与合金成分之间的关系。AlMg5-CMT合金单位面积孔隙数量较AlSi7Mg合金减少了近60%，平均孔径降低77.6%，孔隙圆度增长13.9%。铝合金丝材成分与孔隙缺陷的形成密切相关，Al-Mg合金的流动性更好，易于补缩。此外，采用CMT+P工艺和CMT+P+P工艺制备的与AlMg5合金比不加脉冲时，单位面积孔隙数量分别减少58%和23%，这可能是由于熔池流动性强烈影响孔隙的形成，增加脉冲后形成的熔池扰动有益于氢气孔的溢出。通过双丝增材制造调控Al-Si-Mg合金中的Mg元素含量，所制备AlSi2Mg2合金中的孔隙缺陷大量减少，这可能与合金中第二相的形貌与种类等分布特征存在着联系。　　针对不同制备工艺、不同堆积位置AlMg5合金的力学性能和耐蚀性能研究结果表明，较大热输入会导致严重的层间热累积，从而降低合金的拉伸性能。比如CMT+P工艺制备合金的抗拉强度较CMT工艺下降11.8%，延伸塑性降低22.3%。成形后热处理可有效改善合金的力学性能，180℃和420℃热处理合金的抗拉强度较直接堆积态合金分别提高了6%和3%，断后伸长率分别提高了38.8%和41.4%。　　与直接堆积态合金相比，180℃热处理态合金在3.5%NaCl溶液中浸泡腐蚀后形成的蚀孔数量增加了近16%，腐蚀面积增长10.7%。究其原因，此低温热处理会加剧Al3Mg2第二相在晶界的析出，第二相与基体之间存在电位差异，第二相成为孔蚀发生的优先位置，导致耐蚀性变差。与之相反，420℃热处理有利于第二相回溶，从而显著改善了合金耐蚀性，腐蚀面积减少75%，蚀坑孔径减小26.5%。晶间腐蚀失重以及电化学实验结果与浸泡腐蚀实验结果呈现一致性，180℃热处理态合金表现出更负的腐蚀电位以及更快的腐蚀速率，表明增材制造铝合金的耐蚀性与第二相存在着密切的联系。