关键词： 17-4PH   电弧增材制造   C+P   微观组织   力学性能  

摘要： 17-4PH不锈钢具有高强度、较好耐蚀性、良好可焊性等优点,广泛应用于航空航天、核能核电、石油化工等领域。但采用传统锻造和切削加工的制造方法,17-4PH不锈钢构件存在易开裂、制造周期长、成本高、材料利用率低等问题。电弧增材制造技术是以电弧为热源,金属丝材作为填充材料,通过逐层累积成形金属构件的一种先进制造技术,具有低生产成本、高沉积速率等特点,在大型且形状复杂17-4PH不锈钢构件的制造和修复中具有明显的优势。本文基于冷金属过渡（CMT）+脉冲（P）和冷金属过渡（CMT）电弧模式,研究了17-4PH不锈钢电弧增材制造沉积工艺,探索了热处理工艺,系统地分析了成形构件沉积态和热处理态宏观形貌、组织特征、力学性能和耐蚀性能,主要内容如下:（1）研究了17-4PH不锈钢单道成形工艺,获得了电弧增材制造最佳工艺参数:随着送丝速度的逐渐增大,余高系数逐渐增大;随着焊接速度的逐渐增大,余高系数先增大后减小。综合沉积效率和成形质量,得到最佳沉积工艺参数为:送丝速度6 m/min,焊接速度0.36 m/min,电流175 A,电压18.3 V,保护气体Ar+2.5%CO2,气流量为20 L/min,利用高速摄影仪和焊接质量分析仪观察到整个焊接过程中熔滴过渡和短路过渡均稳定。通过最佳工艺参数进行单道多层薄壁墙和多层多道块体沉积制造,沉积构件宏观成形良好,无明显缺陷。（2）研究了薄壁墙的组织和性能:沉积态下均为体心立方结构（BCC相）和面心立方结构（FCC相）组成,微观组织为马氏体、铁素体和少量的残余奥氏体。通过添加脉冲模式,板条马氏体尺寸更加细小,并有大量5～10 nm的球状和短棒状ε-Cu相弥散析出。C+P模式下的力学性能表现更加出色,达到393HV0.2,抗拉强度为1153 MPa,相比CMT模式,屈服强度高55%,0℃冲击功相差不大,达到42 J。（3）确定了适用于电弧增材制造17-4PH不锈钢的最佳热处理制度:1040℃×1 h+水淬,480℃×1 h+空冷。并对热处理后的薄壁墙组织和性能进行研究:组织由板条马氏体组成,马氏体边界存在少量残余奥氏体。TEM观察到ε-Cu、Nb C等强化相充分析出,其中ε-Cu为5 nm左右,与基体呈共格关系。显微硬度提高到445 HV0.2,抗拉强度1383 MPa,冲击功下降31%,同时耐腐蚀性能提高。（4）对比分析17-4PH不锈钢块体沉积态和热处理态的组织与性能:沉积态X射线衍射结果为BCC相和FCC相,组织出现更多的黑色点状析出相,抗拉强度达到1246 MPa,并且在屈服强度和冲击韧性上存在一定的各向异性,达到22%和38%。热处理后,EDS观察到更多（Fe、Cr）碳化物、Nb（C,N）,显微硬度、拉伸强度略优于薄壁墙试样,达到1422 MPa,耐腐蚀性能基本相同。冲击韧性骤降至18 J,冲击断口表现为脆性断裂,断口中观察到在裂纹附近有许多碳化物的存在。

关键词： 电弧增材制造   模型预测   路径规划   焊道尺寸   焊接工艺参数控制  

摘要： 电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是以电弧为热源将金属焊丝熔化,使金属焊丝进行堆积最后形成金属零件。具有成本制造低,丝材利用率高,生产效率高,良好的机械性能与力学性能的特点,在制造业中具有广泛的应用前景。针对目前现有的增材制造主要是在高分子材料或者粉末材料中进行应用,不适合于电弧增材制造。本文以机器人电弧增材制造为研究对象,基于机器人搭建了一套电弧增材制造系统,对打印路径规划方法进行了研究,开发了增材制造软件,实现读取SLC格式模型零件文件,并进行电弧增材制造试验。进行了多组焊接参数与焊道成型试验,确定了焊接工艺参数范围。采用二次回归旋转组合设计的方法建立了焊接参数与焊道宽度、焊道高度的关系模型。该模型可以预测在不同的工艺参数下的焊道截面尺寸。选取抛物线函数作为焊道截面近似几何形状函数,通过试验测定了单层多道时焊道间的搭接系数,完成了单层多道与多层单道截面几何模型的建立。使用GA-BP神经网络,进行了隐藏层神经元个数的选取,实现根据SLC格式模型零件文件中给定的焊道高度、自定义的焊道宽度,求解相应的焊接参数。研究了分区直线扫描方式和轮廓偏置扫描方式以及两者相结合的复合扫描方式的路径规划方法。对于轮廓偏置扫描方式采用的是基于角平均法推导出的偏置测量模型。针对轮廓之间的交点问题,采用严格单调链法,减少了计算步骤。使用向量法对于无效环进行了判断,解决轮廓间自交点问题。对于轮廓间互交点的识别问题,使用出入性进行判断,进行交点出入性与顶点之间的遍历,实现轮廓间多边形的求交。搭建了机器人电弧增材制造实验系统,并对路径规划方法、焊道截面几何模型、焊接工艺参数控制、电弧增材制造成型效果进行了实验验证,实验结果表明:该系统达到了设计要求。

关键词： 夹芯圆管   多目标优化   电弧增材   工艺参数预测   路径规划  

摘要： 薄壁结构管因其质量轻、成本低、能量吸收率高等特点被作为能量吸收元件,广泛应用于车辆工程以及航空航天领域。为适应相关领域对薄壁结构管吸能特性提出的更高要求,克服挤压成形等传统工艺工序繁琐、需要特定模具、生产周期长等问题,本文对管件结构进行优化设计,并利用等离子电弧增材制造技术对其进行加工。 基于简化的超折叠单元理论,对三种结构类型的夹芯圆管轴向冲击下的吸能特性进行了理论预测,通过比较选择耐撞性能较好的一种进行研究;采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了夹芯圆管的有限元模型,研究其受到轴向冲击载荷时的能量吸收特性,通过单因素法确定了夹芯圆管各结构参数对其耐撞性能的影响,并且确定了各结构参数用于后续优化的取值范围,得出结论:壁厚对峰值压缩力和比吸能的影响最大,其次是肋板数,内圆直径对峰值压缩力基本没有影响。 结合响应面代理模型和NSGA-Ⅱ算法对夹芯圆管轴向冲击载荷下的比吸能和峰值压缩力进行了多目标优化,使用最小距离法从Pareto前沿中选择了满足设计要求的夹芯圆管的最优结构,并进行验证;为了进一步提高其耐撞性能,提出对结构进行轴线方向上的设计,将肋板结构进行扭转。通过有限元仿真计算发现:将肋板结构进行扭转后结构的耐撞性较扭转之前有明显提升,当扭转角度为45°时结构的比吸能在峰值压缩力几乎不变的前提下提高10.75%。 对等离子电弧增材成形工艺展开研究,通过单因素法确定了各增材工艺参数使焊道成形良好的取值范围,在此范围基础上进行正交试验分析了各参数对焊道尺寸影响的优先级。为了实现根据焊道尺寸预测其相应增材工艺参数的功能,将二次回归方程正向模型和神经网络逆向模型相结合,开发了工艺参数闭环反馈迭代系统。 分析了夹芯圆管的截面形状,规划出了层内焊接路径。针对成形路径中存在的直线成形、圆环成形、“直线-圆环”搭接成形缺陷分别提出往复堆积、“四点起弧”补偿、选取合理电弧起弧停留时间及偏搭比例的策略进行控制。结合层内路径规划以及各成形控制策略,确定了结构整体的增材路径,最终增材出成形良好的夹芯圆管。

关键词： CMT电弧增材制造   多尺度模拟   凝固组织   枝晶生长   元素偏析  

摘要： Inconel 625镍基合金因其具有良好的抗高温、抗氧化、耐热腐蚀等性能优点,在航空航天、石油化工、核电等领域得到广泛应用。电弧熔丝增材制造作为增材制造技术的一种,具有材料利用率高,结构致密性好,生产成本和设备成本较低等优势,非常适合镍基合金大型零部件制造。增材制造过程焊接熔池的凝固行为和组织决定增材体的力学性能,并最终体现在增材结构的服役表现,因此,研究增材制造过程熔池的凝固行为和最终形成的微观组织具有重要理论意义和实用价值。本文以CMT电弧增材制造Inconel 625镍基合金为对象,采用数值模拟与实验相结合的研究方法,开展熔池凝固行为及枝晶生长机理的研究。主要的研究内容及结果如下:首先针对熔池凝固过程的多尺度特点,分别建立了电弧增材制造宏观传热和流动耦合模型以及合金凝固微观定量相场模型,构建了熔池宏观传热传质行为和微观枝晶形核-生长行为的多尺度模型,并对模型进行了求解。通过实验验证了熔池凝固界面、纵截面形貌及一次枝晶臂间距与冷却速率的标度律,证明了该数学模型的准确性及可靠性。其次基于熔池凝固动态生长条件,利用定量相场模型模拟了枝晶的演变过程,再现了枝晶生长行为。重点研究了增材工艺参数、凝固参数对一次枝晶臂间距的影响规律。结果表明:枝晶的生长主要经历了线性生长阶段、界面失稳阶段、竞争生长阶段和相对稳定生长阶段。热源功率和热源移动速度通过改变熔池凝固过程的温度梯度G和界面推进速度Vs来影响枝晶的生长过程。热源功率越大,热源移动速度越小,熔池的冷却速率G·Vs越小,一次枝晶臂间距越大。沿固液界面从熔池顶部至底部,温度梯度不断增大,界面推进速度和冷却速率不断减小,一次枝晶臂间距逐渐增大。实验验证枝晶的形貌变化趋势与模拟结果吻合较好。最后动态再现了电弧增材制造Inconel 625凝固过程中及完全凝固后的Nb元素分布,主要研究了凝固参数（温度梯度,界面推进速度和冷却速率）对Nb元素空间分布的影响,预测了Nb元素在熔池中的偏析行为。结果表明:Nb元素在熔池凝固的过程中由固相向液相扩散,并在固液界面前端的液相区富集,由于枝晶臂的粗化,Nb元素以无数细小的圆滴组成的长链分布于枝晶间。枝晶内的Nb元素浓度与温度梯度、界面推进速度、冷却速率成正比,枝晶尖端Nb元素浓度与冷却速率、界面推进速度成反比,与温度梯度成正比。本文所建立的凝固微观组织演变定量相场模型和熔池凝固微观组织动态生长条件模型,可以定量模拟电弧增材制造过程熔池的凝固方式、溶质扩散、柱状晶形貌、间距和生长取向的演变,模拟结果与经典凝固理论和实验测量结果吻合良好,为研究熔池凝固微观应力的演变、增材缺陷的产生机理以及增材工艺的优化奠定基础。

关键词： 电弧增材制造   热积累   数值模拟   中心复合设计   组织与力学性能  

摘要： 316L不锈钢以其优异的耐腐蚀性、焊接性和延展性在汽车工业、核工业等领域上得到了广泛的应用。电弧增材制造效率高、生产成本低,已经用于制造某些316L不锈钢结构件。但由于高熔覆层处散热困难热积累严重,熔池凝固速率低,导致电弧增材结构件成形精度低,组织粗大以及力学性能较差等问题,影响了电弧增材制造技术在工程领域的大范围普及应用。因此本文试图通过测量基体预热温度实时调整电弧线能量密度保证输入合适能量缓解热积累,实现316L不锈钢电弧增材高质量成形。论文的主要研究内容和结论如下:基于多物理场耦合流体动力学,利用Jmat Pro模拟316L不锈钢的热物性参数,考虑熔滴的动态冲击、重力、洛伦兹力、浮力、电弧压力以及表面张力对模型的作用,建立316L不锈钢电弧增材制造三维瞬态熔池数值模型,分析电弧增材制造过程中熔池温度场和流场的动态变化情况。结果表明:随着增材制造的进行,纵截面上熔池长度和深度逐渐增大最后达到稳态,等温线以熔池中心为界呈前密后疏分布。熔池上部沿逆时针流动下部沿顺时针流动增大熔池体积。随着电弧远离x=0 mm横截面上熔池,高温区域缩小,液态金属由顶部中心向两侧流动,再向底部流动,促进热量传递。基于单因素试验研究工艺参数对316L不锈钢电弧增材成形形貌的影响,调整起熄弧端工艺参数解决同向式电弧增材制造多层单道熔覆层高度差问题。结果表明:电弧线能量密度和预热温度与熔宽成正比,与余高成反比,而增大送丝速度,熔宽减小,余高增大。在起弧端减小电弧线能量密度和送丝速度,同时在熄弧端逐渐减小电弧线能量密度可改善起熄弧端尺寸缺陷。在工艺研究基础上通过中心复合设计进行高熔覆层试验,逐步回归拟合建立工艺参数与高熔覆层几何特征的多元回归模型,分别对回归模型进行了残差分析和失拟性检验,结果显示高熔覆层尺寸回归模型具有良好的显著性和拟合度。采用宏观形貌、有效增材效率、组织演变、显微硬度、拉伸性能及断口形貌等评估方法探究热量匹配和控制层间停留时间10 s两种工艺策略对316L不锈钢电弧增材制造薄壁件质量的影响。结果表明:热量匹配策略缓解热积累,改善表面形貌,有效增材率从70.88%提升到82.91%。薄壁件中部组织一次枝晶间距与伸出的二次枝晶数量减小,成形件的显微硬度、抗拉强度因晶粒组织细化得到增大,证明热量匹配工艺策略在提高电弧增材制造成形件质量是有效的。进一步基于熔宽数学模型探究等熔宽值时不同热量配比对薄壁件质量的影响。结果表明:三种热量配比下薄壁件各熔覆层界线清晰可见,侧壁平直没有明显的流淌和坍塌现象。随着预热温度的升高,薄壁件的有效增材效率分别为69.65%、83.58%、74.62%,中部的显微组织由胞状树枝晶向柱状树枝晶转变且一次枝晶间距也逐步增大,显微硬度和水平抗拉强度呈现先增大后减小的趋势。预热温度为152℃时的垂直试件和267℃时的水平试件断口上分布较多的解理面可能是内部有缺陷,并且韧窝数量相对于其他情况显著减少导致塑性降低。

关键词： 钛/钢复合结构   CMT增材制造   冶金过渡   显微组织   力学性能  

摘要： 钛与钢异种金属连接结构,由于具有耐蚀性好、强度高等特点,在航空航天、能源动力、石油化工等工业部门有着巨大的应用潜力。但是由于钛和钢之间的线膨胀系数、导热系数等热物理性能差异较大,并极易形成脆性的金属间化合物,从而降低接头的连接性能,并且钛/钢往往受到焊接方法的限制,目前还难以实现具有复杂结构的钛/钢实际应用部件的连接。电弧增材制造技术以成形精度高、不受零件尺寸影响和灵活性强等特点被广泛使用于金属制造方面。因此,利用电弧增材制造技术制备钛/钢复合结构具有研究价值。本文基于CMT冷金属过渡电弧增材制造设备对ER50-6低合金钢和ERTA1钛合金薄壁结构进行电弧增材制造。通过对两种材料的单道单层焊缝和单道多层焊缝的成形质量进行研究,揭示了焊接速度和送丝速度对单道成形宽度和余高的影响规律。基于优化后的工艺参数,本文还重点研究了添加铜-硅过渡层时两组材料的增材次序对钛/钢复合结构显微组织和力学性能的影响,得到的两组试样的铜-钛界面处均存在大量脆性相,钢/铜-硅/钛次序的复合结构成形良好,铜/钢界面处有明显的熔合线,该区域主要由富铁相(α-Fe)和富铜相(ε-Cu)组成的双相组织。由于铜和钢熔点的差异,采用的钛/铜-硅/钢次序堆积的钛/钢复合结构在铜/钢界面处出现熔化未混合区,未混合区产生的渗透裂纹将随着一道道电弧增材热输入的积累沿着铜/钢界面扩展,最终导致钛/钢复合结构失效。基于上述研究,为了提升钛/钢薄壁复合结构界面位置的力学性能,本文制备出了四组用于钛/钢梯度连接的过渡材料(铜-硅焊丝、铜-铝焊丝、铜-钼焊丝和铜-钒焊丝)。添加四种过渡层制备的钛/钢复合结构均未出现裂纹、气孔等缺陷,界面位置也达到了良好的冶金连接。首先通过光镜、扫描电镜及能谱分析四组试样的相组成与组织组成,了解界面处Si、Al、Mo、V等合金元素的扩散机制与冶金过渡特性。随后对四组试样进行力学性能表征,试验结果表明,四组拉伸试样均断裂在铜/钛界面处,其中,添加Cu-Al过渡层后得到的试样抗拉强度最高,约为272.3MPa,四组试样的显微硬度均在铜/钛界面呈现明显的突变。综上所述,通过采用CMT电弧增材制造技术并添加过渡材料可以较好地成型出钛合金与低合金钢的双金属复合结构。

关键词： 电弧熔丝增材制造   镁合金   摆动路径   成形性   力学性能  

摘要： 电弧熔丝增材制造（WAAM）具有成形效率较高、成本低廉等优点,已成为增材制造大型镁合金零部件的重要方向。实际应用中为实现构件不同宽/高的设计,需要采取不同的路径策略。传统路径策略是通过交叠多个焊道进行区域填充来完成的,容易出现表面不平或未熔合等问题,通过使用摆动路径策略可以解决上述问题。摆动路径策略一种电弧摆动技术,可以增大沉积率,降低热积累,并提高构件表面平整度。本文以稀土改性的Mg-3Al-1Zn镁合金（MM31）为填充材料,基于摆动路径策略进行采用冷金属过渡（CMT）技术的电弧增材制造,并对得到的MM31镁合金构件开展了研究。主要探究了基于摆动路径策略的增材制造过程中不同工艺参数对构件的成形性、微观组织和力学性能的影响,优化出了较佳参数;并对不同区域下构件的组织及性能进行了对比与分析,揭示了电弧增材镁合金基于摆动路径策略的强韧化机制,建立了工艺-组织-性能之间的关系。主要研究内容和结论如下:（1）对单道单层增材制造构件的成形规律进行了研究,优化了工艺参数对于单道沉积层的熔宽、余高、接触角等评定方式的影响规律。当热输入在160-280J/mm、熔敷电流为60-120 A、行进速度为4-6 mm/s、摆动频率为3 Hz、基板预热温度在室温到200℃时,可以得到无明显缺陷、成形良好、并适合进行后续单道多层增材制造的单道沉积层。（2）以基于单道单层增材制造构件较好的成形为基础,探究了各工艺参数对于单道多层增材制造构件的影响。通过研究不同工艺参数对构件宏观形貌、几何特征、尺寸精度、微观组织与力学性能的影响,获得了性能优异的单道多层增材制造构件。其中,熔敷电流的大小直接决定了沉积率的高低,而对组织和性能几乎没有影响;而行进速度的快慢,直接决定了构件成形质量的好坏,对力学性能有很大的影响。在对最终成形的构件没有太高要求时,可在较宽的工艺参数范围内进行增材制造。优化出较佳的参数为:熔敷电流为120 A,行进速度为8 mm/s,摆动振幅与频率分别为4 mm与3 Hz,层间等待时间为60 s。（3）不同区域内的微观组织均由α-Mg、Al8Mn5相与Al8Mn4RE相共同组成。晶粒主要由沿建造方向生长的柱状晶与等轴晶构成,整体呈现明显的分层结构。同时,在WAAM中也有残余应力的存在,不同区域的残余应力分布不同。在底部区域的残余应力大且集中,而中层及顶层区域残余应力少,并且大部分沿着晶界分布;起弧区与熄弧区的残余应力较多。微观组织的不同造成了构件在不同区域与方向上力学性能的差异。在不同高度区域的力学性能差异较小,但中间区域的力学性能较高;起弧区与熄弧区因热输入的变化以及高度差造成了力学性能的下降。力学性能在沉积方向与建造方向上存在各向异性,沿建造方向的力学性能要优于沉积方向。结果表明,中间区域沿建造方向的力学性能较好,其抗拉强度、屈服强度与延伸率分别为218.9 MPa、138.4 MPa和15.6%。

关键词： CMT电弧增材制造   钢/铜复合结构   渗透裂纹   组织   性能  

摘要： 铝青铜合金具有良好的导热性、导电性、耐腐蚀性及可加工性等一系列优良性能,在电子、动力、化工、船舶等工业部门中得到了广泛应用,但也存在强度较低的不足之处,低合金高强钢具有优异的力学性能,但耐腐蚀性较差,铝青铜与低合金高强钢双金属复合材料结合了两种合金的优势,具有优异的力学性能及耐腐蚀性,在压力容器与海洋工程等方面发挥重要作用。然而,钢/铜之间由于热物理性能差异较大,导致其焊接性较差,连接较为困难,在钢/铜连接处容易产生渗透裂纹,对结构件的力学性能造成不利影响。针对上述问题,本文基于冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）电弧增材制造技术,进行低合金高强钢和铝青铜双金属复合结构增材制造试验。首先研究了焊接速度及送丝速度对高强钢及铝青铜单道单层熔覆层宏观成形及尺寸的影响规律。基于优化后的工艺参数,研究往复增材路径及单向增材路径对单道多层墙体成形的影响,结果表明往复式增材方式可以有效避免墙体出现单侧塌陷的情况,墙体整体成形较好。采用往复式增材路径进行后续钢/铜复合墙体增材试验,研究了两组不同堆积次序对复合墙体宏观成形、微观组织及力学性能的影响,结果表明,铝青铜侧组织主要由α-Cu基体、残余马氏体β相（β′相）及富铁析出相кⅣ组成,高强钢侧组织主要由粒状贝氏体及针状铁素体组成,界面处存在大量富铁相,随着距离界面越远,由于铁元素扩散减弱,含量降低,富铁相的数量减少,尺寸减小。钢/铜界面处存在渗透裂纹,其中铝青铜/高强钢复合墙体试样界面处渗透裂纹数量较多,尺寸较大,这与铝青铜层的重熔有关。通过力学性能表征发现,两组试样的冲击吸收功较低,仅达到了铝青铜熔覆金属标准吸收功的50%左右,堆积次序对冲击性能影响较小,界面结合效果还有待提高。此外研究了高强钢及铝青铜增材试样的耐腐蚀性能,分析了两种合金的腐蚀机制。重点研究了渗透裂纹的形成机制及抑制方式,发现其形成主要与液态铜对钢晶界的润湿渗透作用有关,液态铜对钢晶界进行润湿渗透并在应力的作用下扩展,从而形成渗透裂纹。渗透裂纹的抑制方式主要通过改善工艺条件,优化相关工艺参数,从而降低应力,减少裂纹扩展;或通过改变界面元素组分构成,降低Cu元素的扩散。基于上述研究,本文采用添加过渡层的方式对钢/铜界面连接行为进行调控,设计了铜-镍、铁-镍、铜-铬及镍-铬四种不同过渡层。结果表明,添加过渡层后降低了铜的扩散及渗透,在界面结合处没有发现渗透裂纹的存在,通过力学性能表征发现,添加过渡层后四组试样拉伸断裂均发生于铝青铜侧,说明钢/铜界面结合效果较好,四组试样冲击韧性均有所提高,其中添加铁-镍过渡层试样冲击吸收功最高,约为41.0J,对比无过渡层试样冲击吸收功提升了52%。以铜-镍过渡层为例,对比研究了添加过渡层与无过渡层试样界面附近铝青铜层的耐腐蚀性能,结果表明,过渡层在一定程度上减弱了铁元素的扩散,导致试样界面附近铝青铜层中的富铁相含量减少,耐腐蚀性能有所提升。综上所述,添加过渡层可以有效改善钢/铜界面结合效果,得到成形及性能优良的高强钢/铝青铜双金属复合结构。

关键词： 高氮钢   冷金属过渡   电弧形态   锰蒸发   成形特性   组织性能  

摘要： 本文针对高氮钢电弧增材过程氮逸出、锰蒸发引起的电弧行为、熔滴爆炸等不稳定现象,结合电弧高速图像和光谱在线实时传感技术,重点对高氮钢电弧增材过程锰蒸发、熔滴过渡行为等进行试验,探索锰蒸发对电弧过程行为、成形特性和微观组织性能的影响规律,突破锰蒸发、氮损失控制技术,并通过高氮钢增材典型结构件的研制进行验证,为高氮钢增材（焊接）过程锰蒸发问题的全面解决提供理论依据和工程试验数据。 课题采用HNS6T增材专用高氮钢丝材和机器人CMT（Cold metal transfer,冷金属过渡）增材工艺,构建了窄带滤光CCD电弧光谱采集系统和电弧熔滴高速采集系统,开展了高氮钢机器人CMT电弧形态及锰元素分布等试验研究,提取了MnⅡ696.530、MnⅠ706.9锰元素谱线,对高氮钢电弧内部锰元素光谱成分进行分析,发现锰元素集中分布在电弧中心弧柱区域,提出了通过中心弧柱有无破损判断锰的蒸发氧化情况;试验表明:熔滴形貌的不规则变化是导致电弧失稳的主要原因,熔滴形貌变化可以分为生长、稳定、膨胀和爆破4个阶段,中心弧柱在熔滴爆破阶段发生严重破损变形。 采用成分检测、电子显微组织、三维扫描等技术分析探索了高氮钢锰蒸发规律、锰蒸发对高氮钢熔敷成形的影响。结果表明,电弧空间内锰的损失有两种方式:一是电弧高温弧柱区被破坏导致锰离子与侵入空气中的氧直接接触,形成MnO和Mn3O4等烟尘,并且锰的价态随热输入的增加而升高,同时锰大量蒸发会导致熔敷金属出现少量或部分铁素体组织;二是电弧空间被破坏使得氧与锰结合进入熔池内部形成氧化物夹杂。连续稳定的弧柱能够提高电弧的稳定性,最终获得表面光滑,飞溅率较低的熔敷金属。 对熔敷金属显微组织及力学性能研究发现,锰蒸发会加剧氮的损失,导致凝固方式由A模式向AF/FA模式转变,随着锰蒸发量从0.3%增加到1.92%,铁素体及Sigma相含量的相应增多,晶粒平均尺寸由6.19μm增加到11.7μm,并导致高氮钢熔敷金属显微硬度由357.2HV升到380.4HV,动态应力强度由1765MPa降低到1167MPa。动态冲击会导致组织内部粗大的铁素体枝晶破碎,使得枝晶周围产生细小而密集的枝晶析出物。 采用大峰值电流匹配短峰值电流时间的波形控制方法降低锰的蒸发,进行高氮钢典型结构件的研制,将增材熔敷金属润湿角控制在37.5～49.0°内,采用“弓”字型路径连续增材,成功实现了以层为周期的增材,表面成型良好。横向抗拉强度达到963MPa、断后延伸率达到43%、冲击吸收功达到56.64J、纵向抗拉强度达到883MPa、断后延伸率达到34%、冲击吸收功达到39.17J。

关键词： AZ61镁合金   冷金属过渡电弧增材制造   工艺参数   成型效果   显微组织   力学性能   热处理  

摘要： 镁合金具有比强度高、弹性模量大、散热快、减震性强以及电磁屏蔽性好等优点,在汽车、轨道交通、航空航天和医疗领域具有广阔的应用前景。目前,为了进一步实现轻量化、高性能的目标,生产大尺寸、复杂结构的镁合金构件是重要趋势。镁合金复杂结构件通过增材制造的方式资源浪费最小、能源使用最少。镁合金可以采用激光粉末床融合、搅拌摩擦、电弧熔丝等进行增材制造,其中冷金属过渡电弧熔丝增材制造技术（CMT-WAAM）由于热输入较低,能有效避免镁合金在增材制造过程中氧化、烧损等问题,是最适合镁合金增材制造的技术。本课题以目前应用较为广泛的AZ61镁合金为研究对象,对其CMT-WAAM工艺、组织及性能进行系统研究。首先,开展AZ61镁合金成型工艺研究,分析了沉积电流、沉积速度、沉积角度和预热温度对单道单层成型的影响规律。结果表明,当沉积电流为130 A、沉积速度为0.4 m/min、沉积角度小于90°、预热温度为200℃时,单道单层沉积过程稳定、沉积道光滑、飞溅较小、无咬边现象,具有良好的成型特征和组织结构。其次,进行了单道多层成型工艺研究,分析了关键工艺参数（沉积电流、沉积速度、沉积角度、层间停留时间）对成型件宏观形貌、微观组织和力学性能的影响规律。当沉积电流为130 A、沉积速度为0.4 m/min、沉积角度为90°、层间停留时间为1 min时,表面平整度好,尺寸精度高,成型效果最佳。CMT-WAAM镁合金的微观组织由α-Mg基体以及α-Mg+β-Mg17Al12的共晶组织构成,工艺参数主要影响共晶组织的形态,形态在网状、长条状和块状之间转变。当沉积电流为130 A、沉积速度为0.4 m/min、沉积角度为110°、层间停留时间为1 min时,成型件的拉伸性能最佳,水平方向上抗拉强度和延伸率分别为228 MPa、22.1%,垂直方向上分别为224 MPa、18.4%,且各工艺参数下拉伸性能未表现出明显的差别。采用上述性能较佳的成型工艺参数,进行了单道多层倾斜薄壁增材制造试验,分析倾斜角度对成型件宏观成形、微观组织和力学性能的影响规律。倾斜角度为10°、20°、30°时,成型件的表面平整度好、尺寸精度高。倾斜角度30°为倾斜角度极限,此时水平方向和垂直方向的抗拉强度分别保持在未倾斜时的96%和93%,因此CMT-WAAM技术具有制造复杂镁合金构件的潜力。最后,研究了AZ61镁合金CMT-WAAM成型件的T4（固溶处理）和T6热处理（固溶处理+时效处理）工艺。T4热处理采用一段式固溶处理,固溶处理2h效果最佳,微观组织中α-Mg+β-Mg17Al12的共晶组织完全固溶到α-Mg基体中,组织中残留着弥散分布的Al8Mn5颗粒相,此时水平方向的抗拉强度和延伸率分别为245 MPa、20.9%,垂直方向的抗拉强度和延伸率分别为244 MPa、25.3%。增材制造的AZ61镁合金在T6热处理后,拉伸性能优于T4热处理,当固溶时间2 h+时效时间2 h时,拉伸性能最佳:水平方向的抗拉强度和延伸率分别为258MPa、22.5%,垂直方向的抗拉强度和延伸率分别为255 MPa、20.4%。AZ61镁合金增材制造后进行T6热处理可进一步提升性能,强化机制主要以析出强化为主。