关键词： 电弧增材制造   耐磨钢   不锈钢   组织   性能  

摘要： 钢因具有较好的力学性能、耐腐蚀性、高延展性等,是工程机械中最常用的材料,被广泛应用于航空航天、石油化工、汽车工业、模具以及医疗设备等领域。工程机械用钢性能一般要求具有良好的焊接性、耐腐蚀性、耐磨以及强度高等需要。伴随工程机械朝着产品大型化、轻量化和重载荷等趋势发展,工程机械用钢的应用与质量要求不断提升。电弧增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacture,WAAM）是以电弧为热源,金属丝材为填充材料,采用“自下而上”逐层堆积的方式直接成型金属实体构件,相比于传统的加工制造方法,能够实现高性能环保快速制造,从而越来越受到制造行业的广泛关注。本文通过以电弧为热源的增材制造系统,根据工程机械的不同使用场景对材料的需求,分别利用MFA861M耐磨钢、ER2594双相不锈钢、ER316L不锈钢和ER308L不锈钢焊丝进行增材实验,研究增材制造试样的成型特征、微观组织与力学性能,为工程机械用钢电弧增材制造技术应用提供理论和数据支持。本文主要研究结果如下:首先研究了MFA861M耐磨钢材料电弧增材制造试样的组织与性能。研究发现,试样成型过程中表面有飞溅产生的固体小颗粒,宏观成型形貌良好;显微组织观测主要为铁素体;试样的横向和纵向截面显微硬度分布较均匀,平均显微硬度分别为432 HV0.2、437HV0.2;横向和纵向平均抗拉强度分别为1057 MPa、951 MPa,但韧性较差,横向和纵向平均伸长率分别为2.9%、3.2%,室温下的冲击功分别为4 J、6 J;试样的平均摩擦系数约为0.6,随着载荷的增大磨损量上升,试样的磨损率在载荷为10～40N的摩擦磨损测试条件下约为10-6～10-5g·（N·m）-1量级,说明电弧增材制备的耐磨钢具有良好的耐磨性能,能够满足工程机械用NM300耐磨钢的使用要求。其次,研究了ER2594双相不锈钢材料电弧增材制造试样的组织与性能。研究结果表明,采用电弧增材制造技术制备的试样成型质量良好、未出现较大的缺陷、试样内部冶金结合良好;显微组织主要为铁素体、晶内奥氏体、魏氏体、晶界奥氏体和二次奥氏体,由于较低的热输入和合适的层间温度,没有观察到sigma-σ和lambda-λ等有害相;试样的横向和纵向截面显微硬度分布较均匀,平均显微硬度分别为285 HV0.2、301 HV0.2;试样的力学性能优良,横向屈服强度为933 MPa,抗拉强度为1013 MPa,伸长率为27.7%,室温下的冲击值为229 J;纵向屈服强度为860 MPa,抗拉强度为941 MPa,伸长率为25.2%,室温下的冲击值为228 J;试样在3.5%Na Cl溶液中的自腐蚀电位Ecorr为-290 m V和自腐蚀电流密度Icorr为2.3×10-4m A/cm2,以上数据能够满足对ASTM A/A240M-20a中提到的最低要求。然后,研究了ER316L不锈钢材料电弧增材制造试样的组织与性能。结果表明,用电弧增材制备的ER316L不锈钢试样成形质量良好、未发现明显的缺陷、试样内部冶金结合良好;显微组织主要为奥氏体和少量的δ-铁素体;试样的截面显微硬度分布较为均匀,横向和纵向截面平均显微硬度分别为270 HV0.2、267 HV0.2;试样的力学性能优良,横向屈服强度,抗拉强度,伸长率,冲击功分别为324MPa,583 MPa,44.7%,170 J;纵向屈服强度,抗拉强度,伸长率,冲击功分别为291 MPa,475 MPa,40.5%,195 J;试样在3.5%Na Cl溶液中的自腐蚀电位Ecorr为-305 m V和自腐蚀电流密度Icorr为3.408×10-6 m A/cm2,以上数据能满足工程机械对316L不锈钢材料所使用的要求。最后,研究了ER308L不锈钢电弧增材制造试样的组织与性能,并结合电弧增材制造技术的特点,将电弧增材制造技术应用到实践中,拟打印DF-17模型进行分析和评价。试验结果表明,该试样成形质量良好、未发现明显的缺陷、试样内部冶金结合良好;显微组织主要为奥氏体;试样的截面显微硬度分布较为均匀,横向和纵向截面平均显微硬度分别为247 HV0.2、239 HV0.2;试样的力学性能优良,横向屈服强度,抗拉强度,伸长率,冲击功分别为380 MPa,604 MPa,65.5%,138 J;纵向屈服强度,抗拉强度,伸长率,冲击功分别为352 MPa,565 MPa,67.5%,168 J;电化学试样在3.5%Na Cl溶液中的自腐蚀电位Ecorr为-343 m V和自腐蚀电流密度Icorr为1.12×10-5 m A/cm2。DF-17模型的打印结果表明,电弧增材制造技术未来在武器装备等军工领域也具有广阔的发展应用前景。

关键词： 增材制造   电弧焊   激光冲击作用   焊道尺寸   熔池形貌   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材技术凭借其材料成分可控、加工效率高等优点，在大型零部件制造和修复领域有着广泛的应用。然而由于电弧等离子体较为发散、能量利用率低和熔池不稳定，导致其成形件内部组织晶粒粗大、气孔缺陷明显和力学性能较低，这些缺陷降低了零件的性能和质量。此外，在增材过程中，整体构件温度变化剧烈，多次循环加热会导致层间应力和变形难以预测。针对上述问题，本文采用激光冲击增强电弧复合增材的方法，利用激光约束和吸引电弧以及对金属熔池的冲击的作用，以改善电弧增材中的缺陷，进而揭示激光冲击增强作用对电弧等离子体形态、熔池形貌、墙体宏观形貌和组织性能的影响机制，同时，建立以激光-电弧为复合热源的单道多层结构的有限元模型，探究了激光冲击作用下多种工艺参数对焊道尺寸和增材过程中物理场的变化规律，具体研究内容及结果如下:　　(1)采用单因素分析方法，探究了不同焊接电流、焊接速度和激光功率对焊道物理场和尺寸质量的影响规律，并引入余高系数作为优化标准。结果表明，残余应力和变形量与焊接速度呈反比，与焊接电流和激光功率呈正比;对焊道尺寸和熔深影响程度最大的工艺参数分别为焊接电流和激光功率;焊接电流为160A、焊接速度7.67mm/s、激光功率900W视为最佳工艺参数。　　(2)根据所得工艺参数，建立不同冷却周期下多层激光冲击增强电弧复合增材模型。通过分析温度场云图，分析了增材过程中热累积与焊道重熔现象，研究不同位置的热循环曲线，得到增材过程的温度变化速率。在此基础上，探究了层间应力演变及变形规律，揭示了后一道焊道对已成形零件的应力释放作用，得到了焊后变形分布及趋势，为后续单道多层试验提供理论指导。　　(3)利用高速摄像仪分析增材过程中电弧等离子体和熔池形貌，发现激光对电弧等离子体形态具有压缩和吸引作用，并且提高了熔池的稳定性。通过对比激光加入前后墙体零件宏观形貌、微观组织和力学性能的不同，探究了激光对电弧增材的影响规律。结果表明，通过激光冲击熔池，提高了墙体的尺寸精度，墙体的孔隙率减小了 43.1％,内部组织晶粒尺寸减小了 58％,进而增大了墙体内部晶界面积，提高了晶粒间的位错密度，使得抗拉强度提高13.4％、显微硬度提高9.3％。此外，激光的搅拌作用提高了墙体内部元素的均匀性，减小了电弧增材中元素偏析现象，进一步提高了墙体的力学性能。

关键词： 电弧增材制造   颗粒增强钛基复合材料   熔池流动模型   颗粒离散相模型   层状结构  

摘要： 颗粒增强钛基复合材料是在钛基材料中加入较硬的陶瓷颗粒使之成为复合材料,因其高耐磨性、高比强度、高耐热性、高耐腐蚀性和优良的生物相容性,已广泛应用于各制造领域,特别是航空、航天和生物医学行业。电弧增材制造具有沉积速率高、工作条件简单、材料利用率高和生产周期短等优势,因此被广泛应用于制造大中型零部件。采用电弧增材与丝粉结合,能够简单高效地制备含有颗粒增强的钛基复合材料。本文采用GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)电弧增材系统结合重力送粉装置制备了TC4-TiC/TC4层状异构颗粒增强钛基复合材料薄壁件,并针对此过程建立熔池-颗粒耦合的流体动力学模型。 首先建立了钛合金电弧增材过程中熔池流动的三维多相流模型,模型考虑了熔池的传热传质、电弧力、电磁力、表面张力、重力等,采用TurVOF(Volume Of Fluid)法获取气液界面,基于阻力流动法处理凝固过程的糊状区。分析了熔池的流动模式以及各个力对熔池的作用效果,探究了不同电流对熔池的影响。熔池前部顺时针流动,中心偏后处逆时针流动。电流越高熔池峰值和平均温度更高,焊道也更高更窄。由于整个过程是速冷,组织为典型的板条状马氏体,不同电流下组织基本无明显差别。 进而基于上述模型,耦合了TiC颗粒离散相,考虑了颗粒与熔池的传热传质及相互作用,保护气和电弧对颗粒的吹散与加速作用。分析了不同送粉量、不同送粉角度下,颗粒在熔池的分布及颗粒对熔池流动的影响。颗粒对熔池流动的影响分为刚进入熔池对流体的推动作用和存留一段时间对流体阻碍流动。采用后置送粉方式最为合适,颗粒在熔池的分布整体较为均匀,粉末利用率高。颗粒均匀弥散在钛基体组织之间,送粉量过高时,颗粒有团聚现象。 最后采用层状异构的堆积方式,钛合金层和丝粉结合的复材增强层间隔3层依次堆积,共12层。利用上述两种模型模拟了层状异构堆积这一过程,探究了重熔后颗粒的再分布规律与层数关系。焊道重熔后,颗粒的再分布层数为就近两层,颗粒的分布基本反应了堆积形貌与熔池的动态尺寸。颗粒的状态分为中间层颗粒的重熔后再析出和顶部的未重熔。TiC形态为析出后的短棒状和未重熔的球状。钛基体组织从下至上依次为板条状马氏体-网篮组织-网篮组织与少量马氏体组织-网篮组织。

关键词： 铝合金   熔化极惰性气体保护   电弧增材制造   超声波振动   示教器模式  

摘要： 铝合金具有比强度高、重量轻、以及良好的抗腐蚀性和焊接性，在船舶制造领域被广泛应用。熔化极惰性气体保护（MetalInertGas,MIG）电弧增材制造技术具有不需要钨极、热量集中、焊枪行动轨迹不受送丝结构限制、沉积效率高等优势，是一种高效的增材方式。近年来，铝合金MIG电弧增材制造在船舶制造领域备受关注。然而使用铝合金MIG电弧增材制造依然存在成形精度不高、气孔缺陷难以消除、力学性能指标不足等问题。研究如何提高铝合金MIG电弧增材制造成形精度、实现高性能复杂结构成形具有重要的实用价值，为达到这一目的，论文的主要研究内容如下。　　（1）为精确控制铝合金MIG电弧增材制造成形件的尺寸。论文中通过改变焊机参数（起弧作用时间:0s、0.7s、1.4s、2.1s、2.8s、3.5s;熄弧作用时间:0s、0.3s、0.5s、1.0s、2s、3s），对单道单层成形工艺进行研究，得到了增材后的单道单层长度和起弧作用时间的关系，焊丝余量和熄弧作用时间的关系。发现起弧作用时间的长短，决定着单道单层长度是否能满足应有长度;熄弧作用时间的长短，决定着焊丝余量长度。在起弧作用时间为2.8s,熄弧作用时间为0.5s时，实际单道单层长度和应有长度误差最小，焊丝余量满足下次使用，不需要运丝和剪丝。通过对单道薄壁增材方向仿真研究，发现不同增材方向影响增材过程中热量分布，单向增材热量易集中，往复增材有助热量分布;通过对单道薄壁增材实验，发现受热量影响，单向增材材料流淌严重，往复增材材料流淌较轻，往复增材是合适的电弧增材制造工艺。　　（2）为获得气孔少、力学性能好的铝合金MIG电弧增材制造成形件。论文中通过外界辅助超声波振动的方式，在不同超声波振动功率（0W、22W、66W、110W、220W）和频率（20KHz、21KHz、22KHz、23KHz）下增材铝合金薄壁，并对铝合金薄壁的形貌、气孔缺陷、力学性能和微观组织的研究。发现了超声波振动对铝合金薄壁形貌影响较小，不同超声波条件下增材出的铝合金薄壁高度接近。发现了合适地超声波振动对MIG电弧增材制造内部气孔有帮助逸出的作用，但当超声波振动达到一定阈值（功率大于66W，频率大于20KHz）时，受超声波空化作用，试件内部气孔反而增多。在试件力学测试中发现，试件的力学性能和试件内部气孔率相关，试件内部气孔率越大，力学性能越差，气孔率越小，力学性能越优。在超声波条件为66W、20KHz时，试件气孔缺陷最少（气孔率为0.08％），力学性能最优（横向和纵向抗拉强度分别为274MPa、262MPa,横向和纵向延伸率分别为29％、27％)，此超声波条件可用于实现高性能的铝合金MIG电弧增材制造。　　(3)为实现铝合金MIG电弧增材制造复杂结构件成形。论文在上述优化工艺参数的基础上，使用了传统机器人示教器模式增材了涡旋壁结构，发现此模式增材出的涡旋壁结构在单层、多层方面均不能流畅成形，涡旋壁结构成形质量较差，有流淌现象。针对此现象，论文研究了基于逆向工程的铝合金MIG电弧增材制造连贯成形涡旋壁结构的可行性，通过MIG电弧增材制造结果发现，逆向工程下增材出的涡旋壁结构在单层、多层方面均成形流畅，涡旋壁结构成形质量较好，无流淌现象。经过精雕机精加工后两种模式下的涡旋壁结构，发现示教器模式下的涡旋壁结构，经过精加工后存在缺陷，而逆向工程下的涡旋壁结构，精加工后表面无缺口。通过对比分析，判断基于逆向工程的铝合金MIG电弧增材制造复杂构件是可行的。

关键词： 铝合金   数值模拟   残余应力   增材变形   增材制造  

摘要： 5356铝合金具有高耐磨性、高抗腐蚀性、塑性较好和低密度等优良的综合性能,被广泛应用于汽车、造船、化工等领域。目前对于铝合金结构形件主要采用铸造技术和机械加工方法,但传统方法存在机械加工难度大、工序繁多复杂、材料利用率低、生产成本高、生产周期长等缺点已无法满足生产的需求。CMT电弧增材技术是利用电弧堆焊原理将金属丝材熔化,在计算机的控制之下形成三维金属零件,具有高效率、低成本、无烟尘污染、材料利用率高等优点,因而电弧增材制造技术逐渐成为铝合金快速成型的重要手段。而铝合金热膨胀系数较大。其增材制造残余应力问题更为显著。因此,通过数值模拟的方法对整个CMT电弧增材形件残余应力进行研究,利于深入、全面的理解铝合金CMT电弧增材制造工艺特征,具有重要的学术价值和工程实用价值。本文以6061铝合金为基板,5356焊丝为沉积材料的CMT电弧增材成形作为研究对象,基于热弹塑性理论,综合考虑材料物理性能、形件几何特点及CMT电弧热源作用特征,建立适用的三维有限元数值分析模型,利用ANSYS软件对铝合金CMT电弧增材制造薄壁圆形形件、薄壁弧形墙体形件温度场、应力及变形进行模拟计算,研究残余应力的演化过程,分析不同工艺参数下残余应力和变形分布特征,从残余应力和变形角度对增材制造质量进行评价,考虑层间冷却时间、形件半径尺寸大小、增材速度等参数对残余应力和变形的影响,为优化工艺参数、降低沉积态残余应力、预防增材成形件开裂提供了理论支撑。结果表明:盲孔法测得的残余应力和游标卡尺测量形件实际的变形量皆与模拟计算结果吻合较好,证明了所建CMT三维有限元数值分析模型的准确性。在连续增材制造过程中,薄壁弧形形件顶部和底部存在较大的纵向、高度方向残余拉伸应力与形件中的纵向、高度方向残余压应力处于动态平衡,高度方向残余应力峰值随层间冷却时间增大而减小,纵向残余应力随层间冷却时间增大而增大;形件底部等效应力峰值分布区域随增材速度增大不断增大,形件底部和顶部纵向残余拉应力峰值先减小后增大,分布区域先增大后减小。薄壁弧形形件和基板整体的变形模式为角变形,随层间冷却时间增大,薄壁弧形形件右侧顶部至底部左侧弯曲变形量愈小,而基板与之相反,随层间冷却时间增加变形量不断增大;结果表明层间冷却时间越大越有利于控制形件变形,增材速度过大过小都不利于控制薄壁弧形形件变形。CMT铝合金增材制造薄壁圆形形件收弧位置和形件内壁顶部存在较大环向残余应力,轴向等残余应力外壁为拉应力,内壁为压应力,轴向残余拉压应力峰值区域和等效应力峰值区域皆随层间冷却时间增大而减小;环向、轴向残余拉应力和等效应力随增材速度增大而减小;从形件底部开始环向、轴向残余拉压应力峰值区域和等效应力峰值区域随形件半径增大而增大;薄壁圆形形件的变形模式为环向变形和自下而上的拉伸变形,而基板整体的变形模式为侧边角上翘,中心位置下沉;薄壁圆形形件总变形随层间冷却时间增大而减小,形件总变形位移和峰值区域随增材速度先增大后减小,当形件半径从2cm增大到8cm时,形件总变形位移和峰值区域随之增大。

关键词： AZ31镁合金   Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金   电弧增材成形   组织演变   力学性能  

摘要： 镁合金由于其优异的性能广泛应用于3C、汽车、航空航天等领域。镁合金的传统成形方法主要为铸造以及挤压成形,在镁合金铸造成形时,往往会有粗粒、收缩腔、夹渣物等缺陷的出现,降低了镁合金部件的机械性能,同时挤压成形由于需要在较高温度下进行,难以快速成形复杂的镁合金部件,所以传统镁合金的成形方法已经难以满足复杂大规模镁合金部件整体成形的需要,极大的限制了镁合金的发展,因此,亟待一种新的成形方法来生产复杂镁合金部件。增材制造由于其逐层堆积的特性极其适合成形复杂结构部件,它的出现为镁合金的成形提供了一种更优的选择。然而,使用选择性激光熔化技术来成形镁合金不仅沉积效率低,并且受成形尺寸的限制,此外,由于镁化学反应性较高和粉末的表面积更高,增加了成形时的危险性。电弧增材成形使用丝材来成形结构部件,不仅提高了成形效率,而且极大地降低了成形的危险性。本文以AZ31以及Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金丝材为研究对象,使用电弧增材成形技术将上述丝材沉积得到完整的沉积件,研究镁合金沉积件组织的演变规律;进而建立工艺参数-显微组织-力学性能间的映射关系,揭示电弧增材成形过程的凝固行为特点,得到电弧增材成形AZ31以及Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的强化机制;在此基础上,采用第一性原理计算方法研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金内部Mg24Y5对基体中镁原子的形核影响并计算了其界面结合强度;另外,分析了不同热处理机制对Mg-Gd-Y-Zn-Zr沉积件的组织形貌特征、析出相分布、晶粒取向以及织构强度的影响。主要研究结果如下:（1）研究了AZ31镁合金沉积件增材-基材界面结合区以及增材区的组织与性能。由于在增材制造过程中热源下方经历循环往复受热,增材区纵截面上有明显的不均匀特征,从下端到上端晶粒尺寸从4.27μm增加到9.51μm。同时成形AZ31镁合金由α-Mg、β-Mg17Al12与η-Al8Mn5组成,其中,β-Mg17Al12相沿晶界分布,η-Al8Mn5相在α-Mg基体上弥散分布。横截面的纤维织构强度比纵截面更高,使其力学性能各向异性更强。同时,增材区纵截面从上端到下端硬度从74.22 HV增加到81.46 HV。成形AZ31镁合金沉积件在垂直方向的抗拉强度为286.47 MPa,其拉伸率为15.89%,远大于铸造、挤压成形AZ31镁合金的极限抗拉强度。（2）研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金沉积件增材区-基体界面结合区和增材区的显微组织和力学性能。沉积件的微观结构表现出明显的层状特征,在每一层沉积金属内部下端相较于上端,较高的冷却速率导致下端的稀土元素过饱和。同时在整个沉积件内部由于电弧增材成形多重热循环的影响,析出相从下端到上端逐渐减少。由于电弧对基材区的热影响,使得基材区表面部分析出相由18R-LPSO相向14H-LPSO相转变。沉积件沿行进方向的极限抗拉强度为227.27 MPa,延伸率为8.08%,与铸造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金相比,沉积样品的抗拉强度以及拉伸率分别提高了9.79%和83.64%。（3）使用第一性原理计算了Mg、Mg24Y5材料性能,分析了其能带结构和态密度。研究了Mg/Mg24Y5界面的界面黏附功和界面结合能,讨论成键和界面结合强度,并进行了形核分析。模型界面结合强度大于α-Mg/Mg熔体之间的界面能,但其仍然可以通过引入点阵错配,将部分界面能释放,使得Mg24Y5成为α-Mg的形核基底。（4）研究了固溶时效处理对电弧增材成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金沉积件微观组织演变及力学性能的影响。随着固溶时间的增加,晶界变得明显,并且有明显的晶粒长大现象。沉积样品在固溶时间超过8 h后硬度值会有所下降。随着时效时间的而增加,新析出的细小颗粒状相的数量有较大的增加。时效处理时间达到12 h时,在晶粒内部出现了贯穿晶粒内部的层片状LPSO相,并且分布在晶粒内部的细小颗粒状相转变成为了LPSO相。在520℃×4 h+220℃×12h的热处理条件下硬度值最高达到了84.36 HV,此时,沉积样品内部晶粒最小,并且内部存在较多的层片状LPSO相。（5）研究了热处理对电弧增材成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金沉积件晶粒取向以及织构的影响。热处理使得沉积样品的晶界移动获得了足够的驱动力,使得晶粒长大。固溶时效热处理后样品小角度晶界向大角度晶界转变,表明发生大量位错回复来加强稀土织构成分。热处理后晶粒长大时具有择优取向,使得与其取向相近的晶粒长大时朝某一处织构处倾斜,导致织构组分更加集中,其织构强度也更高。此外,热处理有效减少了沉积样品内部位错以及内应力,可以有效提升材料的塑性。

关键词： 电弧熔丝增材制造   钢构件   层间锤击   有限元模拟   残余应力  

摘要： 电弧熔丝增材制造因其具有较高的熔敷效率、低成本以及能高效制造大尺寸复杂构件的优势被广泛应用于舰船制造领域。但在电弧熔丝增材制造过程中,由于熔敷金属的逐层累积,使构件成形时经历反复加热-冷却的热循环过程,最终使构件产生较大的残余应力。过大的残余应力不仅影响构件的尺寸精度,而且降低构件的疲劳强度,极大地危害构件的服役寿命和安全性。因此,降低电弧熔丝增材制造构件的残余应力对实际工程应用而言具有必要性。层间锤击作为高效便捷、低成本的残余应力消除手段广泛应用于实际工程中。本文利用数值模拟和实验验证的方式深入分析了电弧熔丝增材制造温度场和应力场的演变规律;研究层间锤击和锤击温度对残余应力分布的影响,获得最佳的锤击温度,为层间锤击消除电弧熔丝增材制造构件中的残余应力提供了理论依据。本文的主要研究内容如下: 以自制的舰船用钢丝材作为填充材料进行单道多层电弧熔丝增材制造实验和层间锤击辅助电弧熔丝增材制造实验,并对构件温度和残余应力进行测量,以便验证模型的准确性。实验发现,层间锤击后沉积体的宏观形貌发生了明显的塑性变形,但顶层的凝固组织未发生改变。 基于ABAQUS和子程序二次开发,使用熔敷金属和双椭球组合热源,根据实验参数和实际情况建立了单道多层电弧熔丝增材制造热力耦合有限元模型。根据测得的温度和残余应力值验证了模型的可靠性,并深入分析了温度场和应力场分布规律。沉积时,收弧端峰值温度高于起弧端;后一层沉积使前一层重熔,后两层使其高温回火。随着沉积层的增加,基板上应力集中范围减小,沉积体的等效应力增加。卸载后,等效应力沿沉积体中心线对称分布,且数值下降,越靠近基板的沉积层等效应力值越高。 通过施加位移载荷将层间锤击加入电弧熔丝增材制造应力场模型中,根据残余应力测量结果验证模型的准确性,并分析层间锤击对电弧熔丝增材构件残余应力的影响。发现层间锤击可以降低纵向残余应力峰值,增大横向残余压应力范围,使得纵向、横向、Z向残余应力分布更加均匀。 研究了锤击温度对电弧熔丝增材构件残余应力的影响。发现与1300℃和500℃相比,在800℃层间锤击时,残余应力的消除效果最好。此时构件的纵向、横向和Z向残余应力最大值分别降低20.7MPa、273.9MPa和116.9MPa。

关键词： 电弧增材制造   微观组织   力学性能   路径规划  

摘要： 各向异性是增材制造的共性问题,但目前机理仍存在争议,解决方法成本高、效率低、适用范围有限。316L不锈钢电弧增材制造墙体实验发现,层内部可分为热影响区、中心区和重熔区,三个区的晶粒生长方向基本一致,织构使得力学性能具有了方向性。三个区的晶格类型、晶粒尺寸、合金元素和δ相含量都存在差异,层内的不均匀性加剧了各向异性的程度。在此基础上提出织构和不均匀性是电弧增材制造各向异性的主要原因。为了弱化或消除织构和不均匀性,提出了基于晶粒结构原位调控的方法,包括随焊低温气体冷却细化晶粒和周期性增大热输入促进树枝晶向胞状晶转变的方法。研究随焊低温气体强制冷却对提高液态金属的凝固速率、抑制枝晶生长和元素偏析的影响规律,研究温度场分布对树枝晶向胞状晶转变的影响机理和临界条件,并使用有限元+相场法建立工艺参数与晶粒结构演变之间的定量关系。探索各向异性原位调控的新方法和机理,为电弧增材制造的应用提供理论和实验基础。 完成了316L不锈钢块体熔化极惰性气体保护电弧增材制造块体实验,研究了电流、间距、电流模式和弧长对相邻焊道搭接成形的影响规律。相邻焊道搭接时底部的未熔合是最主要的缺陷。使用直流电流时,小电流、短弧长能够保证搭接表面的平整,相邻焊道搭接时底部熔合情况有所改善,但是未熔合的问题仍难以彻底解决。使用脉冲电流时,小电流、短弧长、连续焊的方法能够解决相邻焊道底部熔合的问题。受到相邻焊道堆积时的热影响,焊道内部的微观组织不均匀,没有形成整个焊道的、方向一致的织构。脉冲电流80A、相邻焊道间距4.5mm、行进速度200mm/min、干伸长10mm、弧长2mm时,块体X、Y和Z方向试件的抗拉强度分别为568.5MPa、570.3MPa和550.7MPa,断裂延伸率分别为46%、48%和43.3%,Z方向的强度和塑性低于X和Y方向。

关键词： 电弧增材制造   温度场数值模型   双椭球热源   温度预测  

摘要： 在航空航天领域,大型金属构件的加工越来越多地选择了电弧增材制造这一技术,并渐渐代替了传统制造成为主流。电弧增材制造的高沉积率、材料适用范围广、设计响应度高等都是其它制造工艺不可比拟的优势,解决了传统工艺加工难、加工慢的问题,但同时电弧增材制造过程剧烈且迅速的温度变化也带来了问题。这种以电弧作为热源的增材制造技术,其高热量输入及热循环特性导致了成形件内热应力的残余,因此对电弧增材温度演变过程的研究是至关重要的。为从根源抑制缺陷产生,通过预测增材温度指导实际成形,本文将重点研究电弧增材制造过程温度场模型。首先,基于电弧增材温度场分布特性和温度场数值模拟理论,借助Ansys Workbench软件以温度场控制方程为基础建立温度场有限元模型,模拟计算随温度变化的材料性能参数以便模型边界条件的设置;利用命令流和生死单元技术实现焊道随着双椭球热源的移动加载而逐步出现并参与计算;进行多层增材实验并利用红外热像仪监测增材过程,提取并对比热循环曲线以验证建立的温度场有限元模型,为后续研究奠定基础。接着,对双椭球热源模型开展研究,具体分析其参数与温度分布之间的关联机制。提出一种熔池形状自动提取技术,对温度场模型的计算结果后处理,得到熔池边界及尺寸从而分析熔池温度分布特性;对比不同增材热效率取值的热循环曲线,利用cftool拟合得到增材峰值温度与热效率的线性回归模型;针对双椭球热源的形状参数,创新性地将数值模拟与多元线性回归分析相结合的方法,得到熔深、熔宽和熔池峰值温度三者与形状参数的回归模型,一定程度上解决了热输入和热源模型参数的选取难的问题。进一步地,分别开展单层和多层增材实验探究电弧增材过程温度场的分布特性。设计三因素四水平的正交试验进行单层增材实验,得到稳定成形的工艺参数范围;开展连续二十层增材实验,切割成形件观察截面并测量每层层宽,绘制和分析连续层宽变化曲线与连续偏心度曲线,总结多层增材时热输入对成形的影响;利用所建立的温度场模型模拟多层增材过程熔池温度场的分布,探明熔池内的平均温度梯度呈下降的趋势,且熔池内热量主要沿增材高度方向传递,为后续增材温度预测奠定了基础。最后,利用Matlab建立神经网络温度预测模型,并对其进行优化。将增材电流、增材速度、送丝速度、测量点位置信息、成形件尺寸作为神经网络的输入,增材温度作为输出,合理设计和训练神经网络,得到结构为6-9-1的单层增材温度预测神经网络和7-4-1的多层增材温度预测神经网络;采用遗传算法对神经网络模型进行优化和再训练,有效降低了模型误差;基于该预测模型自主设计和开发单道多层增材过程温度预测软件,并最终实现输入工艺参数、模型尺寸及预测位置便可预测增材温度。