关键词： 电弧增材制造   熔池热耗散   成形质量   微观组织   力学性能  

摘要： 增材制造技术是一种基于离散-堆积,自下而上逐层沉积的工艺方法,具有制造周期短、沉积效率高等优点。但仍存在问题:工艺规范设计的随意性与实验研究数据的分散性,导致成形工艺参数难以重新再现。为此,本文从控制熔池热耗散的角度出发,以5356铝合金、TC4钛合金和GH4169高温合金为研究对象,以基板厚度为控制变量,对成形外观和组织性能进行研究。主要内容和结果如下: 增材实验研究结果表明:(1)随着基板厚度的增加,铝合金表面成形质量和结合质量会变差,而对钛合金和高温合金的影响较小。(2)三种材料的温度变化情况均呈现为达到峰值温度后逐渐降低并趋于稳定值,铝合金的稳定值略高于室温,钛合金高于室温,高温合金接近于室温。 金相实验研究结果表明:(1)铝合金整体为基底相与黑色颗粒状的析出相,最顶部与熔合区域位置的析出物数量最多;钛合金最顶部和熔合区为针状马氏体组织,而其他位置为网篮组织、集束组织、块状α相等;高温合金最顶部为等轴晶粒,其他位置为柱状晶粒。(2)铝合金内部的微观组织主要是由α(Al)相和少量的β(Al3Mg2)相共同构成的;钛合金内部的微观组织主要是由α(Ti)相和少量的β(Ti)相共同构成的;高温合金内部的微观组织主要是由γ相和Laves相共同构成的。(3)随着基板厚度的增加,铝合金底部和熔合区的析出物增多,顶部和中部基本不变,钛合金熔合区的针状马氏体增多,网篮组织减少,顶部、中部和底部基本不变,高温合金熔合区的柱状晶更加细长,顶部、中部和底部基本不变。 力学性能研究结果表明:随着基板厚度的增加,铝合金和高温合金的抗拉强度表现为各向同性,钛合金的抗拉强度表现为各向异性;随着基板厚度的增加,铝合金、钛合金和高温合金的延伸率和弹性模量表现为各向异性。

关键词： 电弧增材制造   几何拓扑重构   孔洞修复   分层算法   轮廓分区  

摘要： 随着科技和工业发展,产品更新迭代周期不断缩短,传统的零件加工工艺越来越难以满足需求,而增材制造凭借其高材料利用率、高灵活性等优势逐渐脱颖而出。在汽车领域,零件的制造常常用到压铸等工艺,这就需要用到大量模具。金属模具在长期使用过程容易受到损坏,而电弧增材工艺因为其成本低、技术要求不高、成型快等优势广泛应用于金属模具的修复与再生。本文研究课题源于企业电弧增材软件算法的改进。现有软件在处理三维模型时速率过慢,且在路径规划时存在较多的“漏填冲”现象,路径规划的方向单一。针对现有软件的不足,本文先分析STL文件的特征,对数据量过于庞大的数据模型进行简化,以减少数据处理量,提高后续算法处理的效率。本文通过对常规简化算法,顶点聚类算法、二次误差度量算法、三角形网格删除算法的原理介绍和对比,最终选择三角网格算法进行模型的简化。再针对模型可能出现的漏洞缺陷,提出漏洞缺陷的修复算法。为了提高分层算法的效率,建立STL文件的几何拓扑结构,建立面表数据结构,以提高对STL模型顶点、三角面片的遍历效率,再用一系列平面与模型截交求解交点轮廓。获取分层的轮廓后,先对轮廓进行数据优化,去除轮廓突刺、零碎小面积区域点。用Douglas-Peucher对轮廓进行简化,减少后续分区、路径规划的计算量。对于原始软件“漏填冲”较多现象,用Bayazit算法对复杂轮廓进行分区,消除“凹点”,每个子分区的路径规划方向根据不同区域的特征进行自适应调整。最后基于上述算法,基于Qt开源框架和open GL图形库设计出软件,实现对STL模型和规划路径的显示和输出,验证算法的可行性。根据算法验证结果得出结论,在对***的切片层数达到200层以上时,本文切片算法效率可提升20%,且随着切片的数量增大,算法优势会逐渐扩大;“漏填冲”区域面积减少90%以上,显著减少了漏填冲现象。

关键词： 丝材电弧增材制造   114铝合金   固溶时效热处理   回归再时效   耐腐蚀性能  

摘要： ZL114A合金是Al-Si-Mg三元合金。广泛应用于交通运输、航海船舶和航空航天等领域。传统生产制造加工对于一些特殊需求的零件存在制造上的技术瓶颈,比如对于薄壁结构类零件、高硬度性能零件、大型尺寸复杂零件和一些其它高性能零件存在制造周期长,机械加工难度大,生产资金成本过高等问题。丝材电弧增材制造（WAMM）技术可以有效避免这些问题,实现产品快速、低成本、高效率制造。目前对于增材制造铝合金成型构件,在提升综合性能方面,可采用单级固溶时效、双级固溶时效、直接时效和回归再时效等后期热处理制度。本文以丝材电弧增材制造ZL114A合金为研究对象,研究了固溶时间、时效温度、时效时间以及回归再时效等热处理制度,对成型件组织、硬度和耐腐蚀性能的影响。通过光学显微镜观察合金的金相组织;根据塔菲尔极化曲线和电化学阻抗谱测试合金的耐腐蚀性能;选用扫描电子显微镜和能谱仪确定热处理过程中合金相成分变化;利用X射线衍射确定合金相组成和晶面结构;使用硬度计确定合金的维氏硬度值;利用X射线光电子谱确定合金生成的钝化膜组成成分;最后利用浸泡法观察合金的腐蚀过程及腐蚀形貌,探讨合金的腐蚀机理。实验结果表明:对于电弧增材制造ZL114A合金,在固溶温度为540℃时,随着固溶时间的增加,沉积态合金的细晶结构逐渐消失,合金硬度先减小后增大。合金的极化曲线点蚀电位显著提升,耐腐蚀性增强。在540℃/10h固溶工艺下,当时效温度为175℃时,时效时间为4h～6h,合金时效析出相析出较少,此时合金硬度较低;6h～12h内,合金的时效析出相显著增多,合金硬度值大幅度提升;在12h达到峰值时效,但是合金的耐腐蚀性能大幅度降低。为改善合金在540℃/10h+175℃/12h热处理后,腐蚀性能降低问题,课题进行了540℃/14h+175℃/12h+260℃/30min+175℃/12h回归再时效的热处理工艺。相比于时效固溶处理的铝合金,回归再时效态的铝合金的表面经过浸泡试验后,点蚀坑数量减少、点蚀坑的深度和宽度减小,合金的耐腐蚀性能提升,但硬度略有降低;对于增材制造该合金,堆积态的腐蚀类型为全面腐蚀;固溶时效处理后该合金主要是以点蚀发生的局部腐蚀为主。丝材电弧增材制造ZL114A合金生成的钝化膜主要由Al2O3、Al OOH、Si2O3、Si O2等物质组成。沉积态试样的腐蚀形貌为致密Al2O3附着的腐蚀产物,为方块状细小颗粒;固溶时效热处理后试样表面可以看到明显的钝化膜,以及突起的近似球形的氧化硅腐蚀产物;回归再时效处理后的试样表面腐蚀产物主要为突起的球形的氧化铝和硅酸盐。三种状态合金钝化膜都含有少量的Sr元素,沉积态与固溶时效处理后的合金钝化膜存在少量的Mg元素。

关键词： 铜-铬-锆合金   激光-电弧复合增材   微观组织   导电及力学性能  

摘要： 随着科技的发展,航空航天、汽车船舶等产业不断地发展升级,相关领域重要零部件的使役环境越来越恶劣,因此对相关零部件的材料性能提出了更高的要求。铜-铬-锆合金材料具有高导电导热性能的同时,强度高、抗软化温度高、耐磨性能好,已经成为大推力火箭发动机燃烧室、火箭发动机喷管、船用螺旋桨等的理想材料,在航空航天、军工国防、海洋船舶等行业都得到了广泛的应用。现阶段,相关领域零部件正朝着复杂化、精密化、结构一体化方向发展,传统的制造工艺,如锻造、铸造等,效率低,工艺过程复杂、成本高、复杂构件成型困难;增材制造(激光增材制造、电弧增材制造)作为一种新兴的加工工艺,加工灵活性高、生产周期短、成本低,是铜合金构件的有效制造方式之一。但激光增材制造中,材料对激光的反射率高,样件致密度低;电弧增材制造中,样件成型精度低,微观组织粗大。为解决上述问题,本文提出了激光-TIG电弧复合增材制造工艺。通过激光与电弧的耦合作用,提高铜合金对激光的利用率,改善样件组织粗大,力学性能差的问题,实现铜-铬-锆合金薄壁样件与圆筒构件的增材制造。对TIG电弧薄壁样件与激光-TIG电弧复合薄壁样件的微观组织和力学性能进行对比研究。主要的研究内容与结论如下:(1)开展了铜合金增材制造工艺实验,优化了TIG电弧工艺参数与激光-TIG电弧复合工艺参数。制备了无裂纹、气孔缺陷的TIG电弧薄壁样件与激光-TIG电弧复合薄壁样件。同时在优化工艺条件下,实现了形貌良好的圆筒构件的增材制造。(2)揭示了不同工艺条件下,样件在宏观形貌、晶粒形态、织构取向、物相组成方面的演变规律,明确了激光热源的作用对薄壁样件宏观形貌与微观组织的影响机理。研究表明,激光-TIG电弧复合样件相对于TIG电弧样件晶粒明显细化,柱状晶长宽比降低;激光热源的加入,样件物相组形成没有发生变化,但织构强度减小;复合样件内部具有更多均匀分布的析出相Cr相,与基体之间保持共格关系。(3)明确了TIG电弧与激光-TIG电弧复合样件的导电性能、显微硬度与拉伸性能,揭示了激光热源对样件导电性能与力学性能的影响机理。对比分析表明,激光热源作用下,样件电导率减小10.3%,显微硬度增加9.4%,抗拉强度提高11.6%,伸长率增加13.1%。析出相数量增多引起的析出强化作用是复合样件拉伸性能提升的主要原因。

关键词： TIG电弧增材制造   熔池传热传质   焊道尺寸   建模预测   典型结构验证  

摘要： 随着航空航天、武器装备、船舶舰艇等领域所需金属结构件逐渐向大型一体化、复杂化方向发展,传统制造中采用的等材、减材方式逐渐呈现出加工难度大、工艺流程繁琐、成本高等弊端。电弧增材制造是一种基于焊接技术的快速原型制造方法,成形件具有显微组织均匀、致密度高、强度可靠等优点,为大型复杂结构的一体化成形提供了新的解决思路。但电弧增材成形精度差、成形稳定性不高制约其进一步发展,为减少因层间高度累积误差造成的成形过程无法正常起弧现象,实现机器人自动化稳定电弧增材制造,本文重点开展电弧增材中焊道成形建模及预测技术的研究。首先在考虑材料热物性能属性和表面张力、浮力、电磁力等受力条件下,基于Fluent求解器中VOF多相流模型、熔化凝固模型、能量模型,对UDF端口进行二次开发,编写熔池熔滴过渡工艺参数与源项,构建出熔滴过渡与熔池流动三维瞬态数值模型。通过数值模拟求解得到单道电弧增材成形中熔池熔滴过渡的三维形貌、横纵截面温度场和流场演变规律,揭示了熔池中的传热传质特性,为电弧增材成形提供了理论依据。然后在单焊道稳定成形区间内采用单因素试验方法分析了焊接电流、焊接速度、送丝速度对焊道形貌影响规律。设计二次回归通用旋转组合方案,并利用非接触式激光在机测量方法进行单道多层熔覆试验,基于Design Expert拟合得到工艺参数与层宽、层高二次回归预测模型。采用方差分析与误差计算进行了模型适应性检验,结果表明预测模型误差在6%以内,并根据响应面结果得到了多参数耦合作用对焊道形貌的影响规律。为进一步提高电弧增材单道多层预测模型的预测能力,基于MATLAB机器学习中的神经网络工具箱设计输入工艺参数输出焊道层宽、层高的三层神经网络结构,分配训练集与测试集后用于电弧增材工艺参数与焊道形貌之间的非线性BP建模预测。针对BP神经网络训练和测试结果中存在局部偏差大的缺陷,在学习过程中添加遗传算法对其进行优化,得到预测误差在3%以内的高精度、高稳定性的优化预测模型。最后基于课题组自主搭建的电弧增减材与在机测量试验平台,针对效果最佳的优化后焊道形貌神经网络预测模型,进行两组典型薄直壁和两组倾斜曲面薄壁结构件的电弧增材验证试验。在增材过程中发现直壁结构件成形非常稳定,而倾斜结构件出现局部电压偏高的情况。通过计算预测值与实际值之间的相对误差,得出不同类型薄直壁结构件成形尺寸误差在预测模型精度范围内,而倾斜曲面薄壁结构件却超出预测模型所允许的误差范围。为探索电弧增材成形能力,完成了对某型号航空叶片型面简化设计后的增材试验,并对成形薄壁扭转叶片进行了内部无损探伤。

关键词： 丝材电弧增材制造   壁面形貌   工艺-壁面波动值模型   工艺参数优化  

摘要： 发展金属增材制造技术符合绿色和高效制造的时代背景。电弧增材制造技术是金属增材制造技术的重要分支之一。丝材电弧增材制造技术在制造大尺寸或者薄壁构件时具有独特的优势。然而,在单道多层的沉积过程中,由于“阶梯效应”和较高热输入造成成形侧壁表面形貌粗糙、有效壁宽减小而降低材料的利用率。为此,本文通过优化WAAM工艺参数组合来减小壁面波动值,进而减少形状误差,提高成形质量。这有利于WAAM工艺制备具有良好成形精度的薄壁构件并提高材料利用率。 首先,本文以铝合金材料为研究对象,分析了影响构件粗糙侧壁轮廓产生的主要因素,认为除了“阶梯效应”及过量热输入会对壁面波动值产生影响外,当使用的丝材是铝合金这种对热敏感性的材料,混合层现象更加明显,进而产生更加粗糙的侧壁表面。搭建了WAAM成形系统,开展薄壁构件的WAAM成形。搭建了3D轮廓测量系统,在此基础上对薄壁构件侧壁轮廓的粗糙度进行量化计算与分析,并建立了壁面波动值的计算公式。 然后,进行单层单道焊缝成形精度试验,建立了以送丝速度(WF)、行走速度(TS)和层间等待时间(WT)为自变量的工艺规范带。根据试验分析结果可知,WF与TS的不同组合会让焊缝出现三种情形:1.焊缝未联结;2.良好的焊缝成形;3.焊缝过宽且伴随变形。焊缝的余高系数(W/H)随体积沉积速率(WF/TS)的增加而增加,当余高系数>2.5时,焊缝伴随变形,且这一现象随宽高比的增加而变得愈加严重。若要使焊缝拥有良好的成形精度,可以把送丝速度设定在5.5-7.0m/min,行走速度设定在0.3-0.7m/min。 接着,利用SPSS软件建立了工艺-壁面波动值模型。模型表明:送丝速度6.50m/min,行走速度0.58m/min,层间等待时间2.00min时薄壁构件的壁面波动值最小。基于单道多层GMAW的增材制造中的体积沉积速率应控制在8.8-20.7之间。通过层间等待时间的控制,能够有效缓解热累积效应,能够防止前一层过度重熔。 最后,试验研究了工艺参数优化对薄壁构件单道多层成形壁面形貌的提升效果,具体分析了不同沉积构件的壁面截面轮廓形状以及与理想壁面截面模型的沉积误差。根据实验测量分析成形形貌可知,借助工艺-壁面波动值模型对WAAM的工艺参数进行优化后,其单边最小加工余量减小为650μm,后处理加工厚度增量减少为578.7μm,壁面波动值降低了30%以上,可以有效减小构件的壁面波动值,从而减少了后期铣削加工产生的金属废料,提高材料利用率。

关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡焊   镍钛合金   微观组织   相转变   热处理  

摘要： 随着4D打印技术的发展,NiTi形状记忆合金的增材制造技术逐渐成为研究热点。以NiTi合金粉末为原材料的激光增材技术常伴随有裂纹、孔隙等冶金缺陷,此外,较高的材料和工艺成本也进一步限制了其应用发展。电弧熔丝增材制造工艺（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）凭借其低工艺成本,高沉积效率的优势为成形复杂的NiTi合金构件提供了新的思路。本文以Ni50.8Ti合金丝材为原材料,采用冷金属过渡（Cold Metal Transfer,CMT）电弧增材制造方式沉积出NiTi合金薄壁件,分析了沉积态薄壁件的微观组织、相组成、相转变、在室温下的力学性能包括显微硬度、拉伸性能、超弹性,并通过固溶后热处理进行性能调控和优化,有望为拓宽NiTi合金的WAAM工艺研究奠定理论基础。具体研究内容与结论如下: （1）CMT电弧增材制造NiTi合金工艺优化。通过采用CMT+P（脉冲）+摆动的焊接模式以及70%Ar+30%He作为保护气体可以获得表面平整度高、熔宽较大、余高较小的熔化道,利于后续的搭接。成形件各沉积层之间有良好的冶金结合,无宏观裂纹和孔隙等缺陷,氧化程度较低。 （2）CMT电弧增材制造小尺寸薄壁件工艺研究。微观组织沿着增材方向不均匀,树枝状Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相在下部粗大奥氏体柱状晶区域晶粒内部和晶界处均有析出,椭球状Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相集中在上部细小奥氏体柱状晶区域晶界处。随着温度梯度的降低,顶部为等轴晶。力学性能表现出明显的位置依赖性,由于晶粒细化和析出相强化,在距基板11.5 mm处的性能最优,极限拉伸强度为652.46 MPa,延伸率达到13.66%,经过10次拉伸循环可回复应变为2.39%。 （3）CMT电弧增材制造大尺寸薄壁件工艺研究。通过进一步优化工艺参数,薄壁件组织均匀程度提高,细长奥氏体柱状晶沿着增材方向外延生长,直至顶部区域出现等轴晶形貌,Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相在晶界处呈网状分布。由于柱状晶的定向生长,力学性能表现出各向异性。在0°方向拉伸时强度低、塑性高,室温下超弹回复能力强;在90°方向拉伸时强度高、塑性低,室温下超弹回复能力差。对比分析不预热、预热100℃和200℃对组织性能的影响。随着预热温度的升高,薄壁件的粗糙度增大,Ra值从533.58μm升高至700.47μm和843.78μm。由于晶粒粗化,析出相强化作用减弱,力学性能随着预热温度的升高而降低,显微硬度值从268 HV降低至257.62HV和251.79 HV。不预热试样的0°方向塑性最优,室温下延伸率为8.65%,表现出解理断裂特征,10次循环加载后的可回复应变为1.95%。90°方向强度最优,室温下极限拉伸强度为831.72 MPa,屈服强度为460.77 MPa,10次循环加载后的不可回复应变为2.81%。 （4）CMT电弧增材制造NiTi合金固溶热处理研究。在800℃/1 h固溶处理时,Ti2Ni/Ti4Ni2O析出相脆化效果降低,晶粒尺寸由52.43μm降低至15.45μm。在X-Z面[001]择优取向转变为[101]择优取向,可以有效提高塑性。固溶处理后的试样力学性能仍表现出各向异性,0°方向的延伸率由6.6%提高至16.44%,10次拉伸循环之后可回复应变由1.48%提高至1.97%。而在90°方向拉伸时,延伸率由4.9%提高至13.49%,极限拉伸强度由797.13 MPa降低至704.92 MPa,10次循环加载后不可回复应变由3.1%降低至2.78%。

关键词： 电弧增材制造   温度场   数值模拟   熔池热历程  

摘要： 电弧增材制造技术以其高效、低成本等优势在大中型零件制造中逐步取代传统制造方法。目前,对其研究方向主要集中于工艺参数与形貌尺寸的映射、以及热输入对增材成形影响等方面。本课题聚焦熔池与其所处环境的相互热影响,旨在通过实验设计及数值模拟技术对成形过程中温度场进行研究,把握熔池在此过程中热环境变化趋势及其对熔池几何的影响规律,以获得熔池热控制调配策略,为快速建立稳定成形热环境提供依据。 首先,通过增材成形实验,获得单向增材成形形貌变化规律,发现单向增材成形形貌缺陷:起弧处垂露状凸起、熄弧端高度不足。通过改变热输入发现垂露状缺陷同冷态基板、层间温度关系,并通过放大起弧处热输入改善起始热环境及熄弧端悬停改善成形缺陷,获得同基板预热相同的改善效果。 其次,基于实验研究进行有限元模拟,并对模型进行验证,并分析单向多层增材成形时温度场变化规律与熔池热环境变化,发现随堆积层数变大,热积累逐渐显著,熔池温度不断上升,熔合区温度梯度下降。同实验数据进行比对,发现熔合区保持在75℃/cm至90℃/cm之间,表明在稳定增材成形时,稳定熔池状态可用熔合区温度梯度作为判据。 然后,根据实验研究与数值模拟结果,针对基板底部施加辅助加热,能够显著加快熔池进入稳定状态,在不同加热形式中,以非线性时变辅助加热最契合成形过程热演变规律,可合理调控热耗散与热输入。通过施加辅助加热,可直接采用相同工艺参数进行逐层堆积,熔合区温度梯度保持在65℃/cm～85℃/cm,但由于施加辅助加热带来额外热输入,使得高层热积累加重,熔合区温度梯度下降。 最后,针对热积累导致熔池因过热失衡,对施加同步辅助冷却方法进行模拟研究。结果表明,辅助冷却方式能够显著改善热积累,控制熔池外围热环境,约束熔池保持在合理的尺寸,防止熔池贮热过高而导致熔池流淌等缺陷,不同冷却形式中以非线性时变辅助冷却最能契合层内温度变化,冷源同热源最佳控制距离为25mm内,此时熔合区温度梯度约为75℃/cm～80℃/cm。 本文通过对实验与数值模拟对熔池热环境进行研究,揭示电弧增材制造过程中熔池外部环境变化与熔池演变规律,并依托熔池演变热历程,尝试以控制热耗散角度对熔池演变进行控制,为快速构建、维持稳定增材成形提供新的路径。

关键词： 电弧熔丝增材制造   铝合金   机械振动   热处理   微观组织   力学性能  

摘要： AA2219属于Al-Cu-Mn系三元高强铝合金,综合性能优异,是当前航空航天大型结构制造最重要的轻量化材料之一。相比较于激光增材制造而言,电弧熔丝增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）在AA2219铝合金大型构件一体化快速近净制备上具有独特优势,颇具研究价值。但是,AA2219铝合金WAAM面临的气孔缺陷多、组织粗大、性能不佳等问题尚未得到合理解决。为此,本文在WAAM常规工艺研究的基础上,提出了同步机械振动辅助增强新方法,探讨了AA2219铝合金WAAM工艺中沉积形貌、冶金缺陷和组织性能的演变规律和物理机制,主要结论如下:系统研究并掌握了常规工艺参数（电弧电流、极性比、沉积速度和氩气流量）对AA2219铝合金WAAM沉积形貌、气孔率和拉伸性能的影响规律,并基于此三项指标的综合考虑优化了工艺参数,将薄壁墙有效宽度比提高至83.1%,单边加工余量减小至0.71 mm,气孔率降低至0.54%,而且最大屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到123.7 MPa、268.5 MPa和15.4%,分别是现有文献报道中最优拉伸性能的110%、98.7%和104.1%,综合性能更为优异。此外,基于多元线性回归方法建立了沉积形貌的预测模型,其有效宽度误差率不超过3.3%,成形高度误差率小于6%,能够根据生产实际情形对AA2219铝合金WAAM沉积尺寸进行准确地预测。研究发现同步机械振动能够有效降低WAAM试样气孔率并细化晶粒。当振动加速度为10 m/s2时,气孔率下降至0.27%,比无振动试样降低了50%;此时,沉积层晶粒最为细小,所有晶粒的平均直径和柱状枝晶尺寸分别为68.6和127μm,分别比无振动试样下降了27.4%和62.2%。气孔率降低的原因在于同步机械振动增强了沉积过程中的熔池流动性,使得熔合线附近的聚集性气孔能够克服柱状枝晶的阻碍而快速上浮,更容易逸出熔池。晶粒细化机理在于机械振动一方面增强了金属熔体间的对流强度,降低了熔池中各组分之间的温度梯度,抑制了柱状晶形核;另一方面振动行为熔断和破碎了正在生长的柱状晶,增加了等轴晶形核质点,促使柱状枝晶向等轴枝晶转变。因为上述变化,同步机械振动能够显著提升沉积态试样的拉伸性能。在优化工艺参数下,振动试样垂直方向屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为131.6 MPa、275.4MPa和14.7%,分别比无振动试样提高14.1%、10.3%和23.6%;水平方向屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为133.9 MPa、280.4 MPa和17.3%,分别比无振动试样提高8.2%、4.4%和12.3%。由此得到的屈服强度、抗拉强度和延伸率的各向异性分别由无振动试样的6.8%、7.0%和22.7%减小至1.7%、1.8%和15.2%。基于微观组织分析和强化机制计算发现性能增强的主要原因在于三点:一是机械振动通过细化晶粒降低了微裂纹扩展速率;二是通过增加位错密度和缠结程度提高了合金塑性变形能力;三是通过抑制气孔降低了微裂纹萌生倾向。系统研究了固溶温度、固溶时间、时效温度和时效时间对共晶相含量和拉伸性能的影响规律,并基于性能优化原理形成了一套适用于AA2219铝合金WAAM的热处理制度,发现机械振动诱发的细晶作用在热处理过程中存在记忆效应。基于该热处理规范,试样最大屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为306.9 MPa、451.3 MPa和11.9%,分别比现有文献报道的最优结果提高1.3%、8%和16.7%,且超过航天AA2219-T6铝合金锻件标准（AMS4143F）。基于微观组织分析和强化机制计算,发现时效处理过程中析出的纳米级针状θ"相与α-Al基体形成共格应变强化作用,及其对位错运动的强烈阻碍作用是强度提升的主要机理。

关键词： 电弧增材制造   分层切片   路径填充   自支撑打印  

摘要： 电弧增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)具有成形效率高、生产成本低、组织致密等诸多优势,适合大尺寸金属结构件的增材制造及模具修复。而对于复杂构件中常见的悬垂结构的电弧增材制造,支撑结构的设计与制造面临诸多挑战。因此探索悬垂结构的自支撑方法,实现大型金属悬垂结构件的直接电弧增材制造具有重要的研究意义。 本文以解决多悬垂结构件制造难、成本高、效率低等问题为目标,通过理论分析以及模型验证开展面向电弧增材制造的三维模型自支撑切片算法研究,实现了多悬垂结构件的直接成形并成功打印出了典型悬垂结构件,最后封装成完整应用程序,具体工作如下: (1)在电弧增材制造的数据处理上,综合现有分层算法的优势,应用了一种基于哈希拓扑的分层切片算法,降低了三角形与切平面相交的冗余判断,实现有序封闭轮廓的快速生成。针对金属制造对热敏感,轮廓成形精度低等特点,将多种路径填充算法相结合,实现了一种复合路径填充算法,既保证了成形效率也保证了成形精度。 (2)在电弧增材制造的支撑结构制造上,实现了一种面向电弧增材制造的三维模型自支撑切片算法,该算法结合并集布尔运算的思想,在分层切片环节消除了悬垂结构对结构件的影响,解决了该类工件制造困难的问题。然后引入悬垂角的概念,提出了一种算法改进方案,极大程度的降低了制造的材料成本以及时间成本,最后结合多个三维模型实例,验证了该算法的普适性。 (3)以抗腐蚀性好的铝合金作为金属丝材,对航空领域的典型悬垂结构件进行自支撑直接打印,结果显示该算法能够有效制造出符合实际生产要求的悬垂结构件。其后与传统悬垂结构的制造在沉积时间、精度和买飞比三个方面作出综合对比,验证了该算法在无支撑悬垂结构增材制造领域中的显著优势。最后整合上述所提出的算法,基于Qt平台开发一款面向电弧增材制造的三维模型数据加工软件,并通过一个具体实例阐述该软件的加工流程。