关键词： 冲击式转轮   电弧增材制造   04Cr13Ni4Mo钢   微观组织   力学性能   疲劳性能  

摘要： 冲击式转轮是冲击式水轮机最核心的部件,规划建设的雅鲁藏布江（简称雅江）水电机组的大型冲击式转轮的锻件吨位和尺寸超出了目前锻造和数控加工能力的极限而无法制造,大型冲击式转轮制造技术是我国水力发电设备制造领域的“卡脖子”技术。分体式制造是目前唯一解决方法,而水斗叶片增材制造是重要备选方案之一。本文以研发可以降低锻件吨位要求和数控加工难度,满足大型冲击式转轮制造需求的增材制造技术为目标,通过对水斗叶片冷金属过渡（cold metal transfer,CMT）电弧增材制造（wire arc additive manufacturing,WAAM）工艺,增材04Cr13Ni4Mo钢（简称WAAM钢）的微观组织、力学性能和疲劳性能的研究,以及真机转轮的制造验证、安全运行评估和制造经济性评价,为大型冲击式转轮的增材制造提供必要支撑。 搭建了冲击式转轮水斗叶片CMT增材制造系统平台,对叶片的增材工艺进行了研究。通过转轮运行数值模拟对水斗叶片的受力情况进行分析,提出了冲击式转轮侧斗叶片的电弧增材方法,通过低应力承载区侧斗叶片的增材制造,在保证转轮运行安全性的前提下,降低锻件吨位要求。对空间扭转曲面叶片的增材工艺进行研究,确定了焊接工艺参数,切片和路径规划方法,以及叶片成形控制策略,并通过侧斗叶片模拟件的增材制造对工艺进行了验证。 对增材04Cr13Ni4Mo钢的微观组织和力学性能进行了研究。WAAM钢的晶粒和马氏体单元尺寸均非常细小,具有高密度的晶界和单元界,在WAAM钢/锻钢界面（简称界面）热影响区（heat affected zone,HAZ）的等轴晶晶界处形成逆变奥氏体。WAAM钢纵向的屈服强度和抗拉强度为685和823MPa,比锻钢分别高出约150和100MPa,拉伸性能不存在明显方向性,界面试样强度取决于锻钢。WAAM钢和界面冲击韧性良好,KV2略低于锻钢,锻钢的高冲击韧性由裂纹扩展的长路径,马氏体板条束的扭转变形和断裂决定;WAAM钢的较高韧性由大量晶粒或马氏体单元扭转变形和二次裂纹的形成决定;界面试样的高韧性由较长的裂纹扩展路径,晶粒或马氏体单元扭转变形和二次裂纹的形成,以及逆变奥氏体的作用决定。 对增材04Cr13Ni4Mo钢的疲劳性能进行了研究。WAAM钢和界面试样的裂纹扩展速率均略小于锻钢,裂纹扩展主要阻力是晶粒或马氏体板条束的扭转变形、断裂,二次裂纹的形成和解理面的变形。界面横向试样融合了锻钢和WAAM钢裂纹扩展特征,在界面处选择低能量消耗路径进行扩展。裂纹穿越界面纵向试样断裂模式由准解理向解理转变。WAAM钢横、纵向的疲劳极限相近,分别为457和468MPa,高于锻钢约100MPa,界面纵向试样疲劳极限取决于锻钢。锻钢的疲劳源主要是表面和次表面的夹杂物,WAAM钢的疲劳源主要是应力集中较低的内部气孔,得到了基于缺陷面积的El-Haddad公式,实现了锻钢和WAAM钢的疲劳强度预测。 阐明了增材04Cr13Ni4Mo钢的高周疲劳机制。气孔缺陷周围的粒状亮面区（granular bright facet,GBF）在正应力下的二维扩展过程中形成,造成马氏体单元的扭转变形和断裂,并形成二次裂纹,消耗大部分的疲劳循环周次。裂纹在鱼眼区（fish-eye zone,FIE）以较高能量消耗的准解理模式扩展,消耗了部分的疲劳循环周次。缺陷的形状和尺寸决定了GBF区和FIE区的形成,高强度WAAM钢的疲劳源倾向于形成于试样内部缺陷,疲劳源距表面距离决定FIE区面积。 对真机转轮中心轮毂的数控加工过程进行了模拟仿真,成功制造了国内首台增材制造冲击式真机转轮,并完成了超过12个月的无故障安全运行。对转轮的制造经济性进行了评价,制造周期降低56%,制造成本降低49%。验证了侧斗叶片增材制造冲击式转轮的工艺可行性、运行安全性和制造经济性。为以雅鲁藏布江发电机组为代表的大型高水头冲击式转轮的制造提供了一个可行的解决方案。

关键词： 电弧增材制造   非对称熔池   倾斜基面   演化机制   抑制方法  

摘要： 电弧增材制造技术是一种以电弧为载能束,通过逐层堆积焊道的方式制造金属零件的快速成形技术,具有制造周期短、制造零件无尺寸限制等优点。而采用电弧增材制造技术实现复杂金属零件直接成形的基础是沉积过程中堆积焊道的形貌均匀、对称。但电弧增材制造是一个涉及电场、磁场等多物理场耦合的过程,熔池在沉积过程中的动态行为较为复杂;特别是面向复杂结构件的制造成形时,金属液滴的沉积行为发生在非水平基面上,熔池在重力诱导下容易发生失稳流淌,造成非对称的焊道形貌,难以形成均匀、对称的沉积层,从而降低零件的成形精度,甚至导致成形缺陷。基于此,本文采用实验与仿真结合的方法开展电弧增材制造过程中非对称熔池的诱发机制与熔池形貌演变规律研究,探索能实现焊道成形形貌优化调控的有效方法,以期为三维复杂金属构件的高质量成形提供有益的指导。本文主要研究内容如下:首先,搭建了基于CMT的电弧增材制造试验系统并介绍了相关设备的详细参数,研究了水平基面上不同工艺参数组合下焊道的成形特征演变规律,基于成形焊道质量确定了最佳工艺参数区间,并建立了焊道形貌尺寸预测模型以确定焊接电流与焊接速度的匹配关系与交互作用;同时,基于三维数值仿真模型与视觉传感系统开展了沉积过程中对称熔池的形貌演变过程及熔池流场、温度场的演化规律研究,为后续非对称熔池形貌演变机制的研究奠定基础。其次,分别探索了在倾斜基面上成形时不同工艺参数及基面倾角对焊道形貌特征的影响规律,并基于高速摄像及数值仿真的方式研究了沉积过程中非对称熔池形貌的演变规律,揭示了重力诱导下表层金属流体的不对称流动是导致焊道形貌恶化的诱因;进一步探究了不同工艺参数下电弧增材制造非对称熔池形貌的演变规律,分析了在不同工艺参数组合下金属熔滴沉积时熔池流动模式、速度场、温度场的演变,为进一步探索熔池非对称形貌的抑制方法提供了理论指导。最后,开展了电弧增材制造过程中液态熔池的受力分析,提出了抑制成形焊道非对称形貌的有效方法,确定了焊枪倾角与基面倾角之间的映射关系,并通过实验与仿真的方式对该策略的可行性与有效性展开了验证;进一步提出了变焊枪倾角与选域交错打印沉积相结合的方法,明确了理论焊道间距与焊道尺寸之间的映射关系,实现了电弧增材沉积单道、多道、多层成形时非对称熔池形貌的有效抑制,对比不同沉积策略验证了该方法在改善零件打印精度与塌陷程度上的有效性,为后续实现三维复杂金属构件的高质量成形提供有益的指导。

关键词： 电弧增材制造   材料性能   不锈钢   圆管短柱   圆管长柱   几何测量   轴压性能  

摘要： 电弧增材制造(WAAM)技术具有沉积速率高、制造成本低以及成形尺寸限制小等优势,适用于建筑工程领域大型金属构件的制造。目前,电弧增材制造技术在建筑工程领域还处于起步阶段,存在着许多挑战、障碍和尚未解决的问题,例如基本的材料性能和结构性能、几何精度、质量保证、设计和制造规范化等。本文研究了电弧增材制造316L奥氏体不锈钢的基本力学性能和微观结构、不锈钢圆管短柱和长柱的轴压性能。通过冷金属过渡电弧增材制造制备了不同沉积路径和沉积厚度的316L奥氏体不锈钢沉积板并从板件中沿不同取样方向制备拉伸试样,进行了拉伸试验、金相试验和断口扫描电镜试验。结果显示,材料具有较高的强度,但延展性略低,且呈现明显的各向异性。沉积路径对材料性能具有一定影响。金相试验显示,金相组织为奥氏体组织,沉积厚度影响晶体尺寸,进而影响材料力学性能。断口扫描电镜试验显示断口形貌主要为韧窝,断裂机理为韧性断裂,材料性能与断口微观形貌相关。固溶热处理提高了材料的延展性但降低了强度。利用电弧增材制造技术分别制备了不同截面尺寸、壁厚和高度的一组圆管短柱和一组圆管长柱构件,并通过3D激光扫描进行几何测量,确定其几何参数和几何缺陷;通过短柱轴压试验获得荷载-端部轴向位移曲线,通过长柱轴压试验获得荷载-挠度曲线,分析破坏模式、轴压承载力及其影响因素;建立并验证有限元模型,并通过数值模拟对试验数据进行扩展以涵盖更宽的截面径厚比和整体长细比范围;最后将试验和模拟结果与国内外钢结构设计规范预测结果进行对比分析。结果表明:相比普通钢管构件,电弧增材制造构件的几何截面具有较大不规则性,局部和整体几何缺陷也相对较大;轴压试验中所有电弧增材制造圆管短柱均发生了局部屈曲,圆管长柱发生了整体(或整体-局部相关)屈曲;电弧增材制造圆管短柱的轴压极限承载力总体上随着截面径厚比、局部几何缺陷的增大而降低,圆管长柱的轴压极限承载力则随着整体长细比、整体几何缺陷的增大而降低;建立的有限元模型能较好地模拟电弧增材制造的圆管短柱和长柱的轴压性能;已有的设计规范对于电弧增材制造的构件不完全适用,中国钢结构设计规范较欧洲和美国规范提出了更高的强度要求,试验和模拟结果无法完全达到中国规范的设计值。综上,本研究为电弧增材制造技术在建筑工程领域的应用提供了有价值的信息,明确了材料性能、几何精度、轴压性能和规范适用性方面的关键问题,为进一步研究和规范制定奠定了基础。

关键词： 金属增材制造   转移脉冲电弧   丝材   热输入   成形质量   气中电火花加工  

摘要： 电弧熔丝增材制造技术兼具高沉积效率和低生产成本的优势,但成形过程中的高水平热输入导致了一系列加工难题,如较差的几何精度、粗糙的微观结构和较低的力学性能,这限制了该技术在工业上的进一步应用。针对上述难题,本文基于极间气体介质被脉冲电压击穿时产生的可转移脉冲电弧为热源,提出一种新型熔丝增材制造方法,并深入研究该方法的实现机制及作用机制。在此基础上,以解决常规电弧熔丝沉积成形Ti6Al4V钛合金时存在的强度较低、以及传统冶金策略制造316L不锈钢时存在的强度-延展性权衡困境问题为目标,进行Ti6Al4V钛合金和316L不锈钢薄壁件的转移脉冲电弧熔丝沉积成形研究,并基于实验表征和数值模拟揭示其高质量成形机制。此外,为进一步提高成形构件的几何精度和表面质量,本文还通过结合气中电火花铣削加工和精密电解加工技术进行增减材复合制造及表面后处理研究。 本文提出的新型熔丝增材制造方法以可转移脉冲电弧为热源,该方法基于间断性热量输入机制和热量分配调节机制,可克服常规电弧熔丝沉积成形过程中高水平热输入导致的加工难题。间断性热量输入机制体现在该方法以脉冲电压产生的脉冲电弧为热源,沉积过程中放电-消电离交替进行,在相邻两次放电之间的脉冲间隔内没有热量输入到熔池,因此有利于熔融材料的快速冷却;热量分配调节机制体现在脉冲电压施加时脉冲电弧首先在钨电极和金属丝材之间点燃,然后逐渐转移到钨电极和基板(从前沉积层)之间,脉冲电弧点燃和转移过程中,热量几乎完全用于熔化金属丝材,而不是基板,因此提高沉积过程中热量分配给金属丝材的比例,减少输入到基板的非必要热量,进而有效地降低金属丝材沉积所需的总热输入。此外,研究结果显示,该增材制造方法可以降低金属丝材沉积所需总热输入的另一个重要机制在于脉冲电弧膨胀阶段的能量密度比稳定阶段更高,因而展现出了更高的熔化效率。在相同的送丝速度(350mm/min)下,与常规电弧熔丝增材制造相比,转移脉冲电弧熔丝增材制造的总热输入可以减少37%。 基于转移脉冲电弧熔丝增材制造方法成形了Ti6Al4V钛合金薄壁件,并与常规电弧熔丝增材制造成形的Ti6Al4V钛合金薄壁件进行对比。实验结果显示,与常规电弧熔丝沉积成形相比较,转移脉冲电弧熔丝沉积成形的Ti6Al4V钛合金薄壁件展现出了更精准的几何特征、更致密且均匀的微观组织以及更高的极限抗拉强度。基于实验和数值模拟结果,揭示了成形过程、成形构件微观组织、几何特征以及力学性能之间的内在关系,进而系统性地阐明了转移脉冲电弧熔丝增材制造方法在成形高质量金属构件上的优势。 基于转移脉冲电弧熔丝增材制造方法成形了同时具有高强度和高延展性的316L不锈钢薄壁件。常规制造工艺强化316L不锈钢强度时,通常会损害其延展性。本研究的实验结果显示,与常规电弧熔丝沉积成形相比较,转移脉冲电弧熔丝沉积成形的316L不锈钢薄壁件在强度和延展性方面均得到了增强。转移脉冲电弧熔丝沉积成形316L不锈钢薄壁件呈现出更高强度的原因在于其具有更致密的微观组织、高密度位错以及更高比例的低角度晶界;高延展性主要是因为其在变形过程中产生了大量的变形孪晶,具有稳定的高应变硬化率。此外,由于孪晶边界可以阻碍位错滑移,因此塑性变形过程中产生的大量变形孪晶也是增加316L不锈钢薄壁增材件强度的重要原因。 为了进一步地提高增材成形件的几何精度和表面质量,本文通过结合气中电火花铣削加工,进行了薄壁件增减材复合制造研究。复合制造过程中,转移脉冲电弧熔丝增材制造和气中电火花铣削加工交替进行,可以有效地提高成形精度和表面质量。此外,由于该复合制造方法的增材和减材阶段均是以脉冲等离子体为热源的热加工技术,且均属于干式加工,无需液体辅助,可避免以切削加工作为减材技术的增减材复合制造方法成形过程中切削液被禁止使用导致的不利影响,因此有利于实现更加匹配的增减材复合制造。实验结果显示,该复合制造方法成形的薄壁件同时具有优异的力学性能和表面质量。此外,为了进一步地提高复合制造成形薄壁件的表面质量,本文利用精密电解加工去除了复合制造成形后薄壁件表面存在的重铸层。

关键词： 农用刀具   碳化钨   粉丝协同电弧增材制备   药芯焊丝   微观组织   耐磨性能  

摘要： 农业机械的应用大幅提高了农业生产效率,近年来,全国农作物耕种收综合机械化率不断提高,但国内农机刀具使用寿命与国外先进水平仍有较大差距。农机刀具等触土部件在工作中因受到土壤砂石的磨损和冲击作用,使用寿命大大降低,成为导致农机故障的主要原因。在刀具表面制备含有WC颗粒的耐磨层能够有效提升表面耐磨性能,延长刀具使用寿命。本文对比分析了传统的表面改性技术对于农业刀具的适用性及所制备耐磨层的组织性能,并提出了粉丝协同电弧增材制造农用刀具WCP增强耐磨层的方法。粉丝协同电弧增材制造方法使用电弧作为热源,药芯焊丝作为填充材料,通过同轴送粉方式进一步提高耐磨层中未熔WC颗粒含量,实现高体积WC分数耐磨层的制备。采用OM、XRD、SEM、EDS等设备对传统制备方法制备的耐磨层及粉丝协同电弧增材制造方法制备的耐磨层进行微观组织、物相组成、元素分布分析,利用显微硬度计测试耐磨层硬度。本文具体研究工作和主要结论如下:（1）氧-乙炔火焰堆焊热源温度较低,有利于减少WC颗粒分解,但该方法堆焊效率低,难以实现自动化;氧-乙炔火焰堆焊制备的耐磨层WC颗粒分布均匀,WC颗粒体积分数达到60%;在耐磨层中存在W2C、WC、Fe3W3C等相,Fe3W3C为过渡层和基体中的灰色块状相。（2）氧-乙炔火焰喷焊热源温度低、易于实现自动化,缺点是熔覆时粉末流失严重,WC颗粒分布不均匀,多个工件大面积熔覆时不易分离。氧-乙炔火焰喷焊制备的耐磨层上部WC颗粒体积分数约为55%,下部体积分数为20%;颗粒边缘由杆状WC组织与过渡层组成,过渡层与基体上分布的灰色块状组织为Fe3W3C相。（3）激光熔覆制备WCP增强耐磨层成型质量好,自动化程度高,但其热源温度极高,制备的耐磨层中WC颗粒分解现象严重,体积分数约为10%,基体上出现大量有块状和条状组成的M7C3相。（4）等离子熔覆方法效率高,耐磨层成型好,但其高温热源会导致WC颗粒大量分解,等离子熔覆耐磨层下部WC颗粒分解程度更高,形貌为灰色块状Ni17W3相围绕中心未熔碳化钨;耐磨层上部块状Ni17W3相分布更加均匀。（5）TIG电弧热源温度适中,并且可以实现自动化,但该方法对焊接工艺要求高,且成本较高。TIG堆焊制备的耐磨层未熔WC颗粒分布在下部且尺寸变化不明显,基体上存在少量的块状Fe3W3C相和大量的鱼骨状Fe3W3C相。（6）粉丝协同电弧增材制备方法电弧热源温度适中,WC颗粒分解程度低,WC颗粒在耐磨层内部分布均匀,该制备方法效率高、成本低、易于实现自动化;送粉气体流量为4L/min、6L/min、8L/min时,耐磨层中WC颗粒体积分数分别为20%、40%、55%;当送粉气体流量提高时,在颗粒边缘的Fe3W3C过渡层宽度小幅度上升,基体上分布的块状和鱼骨状的Fe3W3C相增多,有利于颗粒与基体的结合,提高基体的硬度和耐磨性。（7）耐磨层性能与耐磨层中碳化钨颗粒的数量、分布及分解程度密切相关。激光熔覆和等离子熔覆由于热源温度高,WC分解程度高,因此硬度分布比较均匀和较低,耐磨性能较差;氧-乙炔火焰喷焊、氧-乙炔火焰堆焊、TIG堆焊及粉丝协同增材制造工艺热源温度较低,WC分解程度低。其中,粉丝协同增材制造（送粉气体流量为8L/min）耐磨层及氧乙炔火焰堆焊耐磨层中含有大量碳化钨颗粒,硬度曲线中多次出现2500HV左右的高硬度点,拥有优良的耐磨损性能。与传统工艺制备耐磨层相比,粉丝协同增材制造耐磨层的综合性能更加优异,更适用于工业生产与农业应用。

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