关键词： 电弧增材制造   仅需看一次算法   熔池监测   缺陷检测   深度学习  

摘要： 电弧增材制造技术是支持高端装备快速开发的一种高效低成本的技术。在增材制造过程的熔池中,零件的成形质量受其内部因素和外部环境因素的影响,这可能导致零件的成形质量差甚至导致零件不可用,传统的缺陷检测算法会出现检测准确率低或实时性差的问题。因此设计一种自动化的熔池监测和缺陷检测系统是很有必要的。该熔池监测和缺陷检测系统能够实时地检测熔池中形成零件是否出现缺陷和出现缺陷的种类,在发现缺陷的同时并及时发出警报并协助工人进行零件质量的修复。选择了当前比较先进的YOLOv5目标检测算法作为基础算法,并在其基础上进行了4项优化,使得检测系统的准确率和实时性得到了进一步提高,能够满足实际工业生产中对实时缺陷检测的需求。首先,对边界框聚类算法进行了改进,使用Kmeans++算法代替了K-means算法,使得生成的边界框大小能够更接近于缺陷的尺寸大小,提高了检测的准确率。其次,选取完全交并比(Complete Intersection Over Union,CIOU)损失函数作为包围盒损失函数,进一步提高了检测精度。另外选择焦点函数(Focal Loss,FL)函数作为分类损失函数,提高了算法的分类精度。最后,为了能够快速定位到缺陷位置以提高算法的检测速度,引入了挤压和激励(Squeeze and Excitation,SE)注意力模块,加快了算法定位缺陷的速度。为了验证算法的有效性,采集了5000张包含正常和存在缺陷的熔池图片数据进行了消融实验,实验结果表明,每一个改进措施都会提高检测模型的性能。选择均值平均精度(mean Average Precision,m AP)作为模型的评价标准,改进的YOLOv5算法的m AP值达到了98.0%,比原YOLOv5模型检测准确率高3%。帧每秒(Frame Per Second,FPS)值达到了59,相比较原YOLOv5模型FPS值提高了3。并且改进的算法对于每个缺陷种类的检测准确率都超过了95.0%。实验结果证明了改进的YOLOv5算法实时检测的有效性,并且该算法可以在之后的研究中通过扩充数据集可以进一步进行拓展。

关键词： 增材制造   选区激光熔化   电弧增材制造   变形机制   疲劳失效机理   多轴疲劳   疲劳寿命预测  

摘要： 金属增材制造作为一种新兴的智能加工技术,具有材料利用率高、加工周期短、成本低等显著优势。在众多的增材制造工艺中,选区激光熔化(SLM)和电弧增材制造(WAAM)因其独特的优势而得到广泛研究与应用。奥氏体不锈钢具有良好的耐腐蚀性,相对较高的强度和延展性以及较低的成本,因此被广泛应用于建筑、核电和航空航天等各个领域。建立增材制造奥氏体不锈钢的工艺-组织-性能一体化关系是一个关键但具有挑战性的目标。本文使用SLM及WAAM工艺获得了两种近乎全致密的308L不锈钢材料,采用实验的方法系统研究了308L不锈钢的组织与性能,并与传统热轧(HR)308L不锈钢进行对比,澄清了增材制造308L奥氏体不锈钢的特征。本文的主要研究内容及结果如下: (1)使用OM、SEM、EBSD等多种表征手段对SLM和WAAM 308L不锈钢的微观组织进行了全面细致的表征,发现增材制造不锈钢与HR不锈钢在晶粒形貌、晶粒尺寸、晶体织构、位错密度方面都存在显著的差异。SLM 308L不锈钢由单一的柱状奥氏体晶粒组成,晶粒尺寸约为12μm。WAAM 308L不锈钢由尺寸在mm级的巨大的柱状奥氏体晶粒和3%左右的尺寸在3μm左右的骨架状、板条状和粒状铁素体组成。对WAAM 308L不锈钢不同沉积高度处的微观结构进行了详细的表征,揭示了WAAM工艺过程中微观结构的形成机理。 (2)使用完全相同的棒状试样对增材制造308L不锈钢的单调拉伸性能进行研究,结果表明SLM及WAAM 308L不锈钢的强度和延伸率与HR 308L相当,均高于ASTM标准。通过小平板试样中断拉伸试验揭示了具有奥氏体和铁素体双相结构的WAAM 308L不锈钢在单调拉伸载荷下独特的变形机理。 (3)在室温下进行了多种应变幅值的单轴拉压、纯扭转以及多轴非比例疲劳试验,从循环力学响应和疲劳寿命两方面系统地研究了SLM和WAAM 308L不锈钢的疲劳性能。研究表明,在特定的载荷水平下,增材制造308L不锈钢的疲劳寿命高于HR 308L不锈钢。 (4)使用OM、SEM、EBSD等多种手段对不同尺度的疲劳裂纹进行表征,揭示了增材制造308L不锈钢在多种疲劳载荷下的失效模式。使用SWT、FS和CXH三种基于临界面的多轴疲劳寿命预测模型对SLM和WAAM 308L不锈钢的疲劳寿命进行预测。结果表明,FS模型和以剪切损伤为主的CXH模型分别能够对SLM和WAAM 308L不锈钢的疲劳寿命做出合理的预测。

关键词： 功能梯度材料   双丝电弧增材制造   钛镍基合金   显微组织   力学性能  

摘要： 钛镍基功能梯度材料（Functionally graded material,FGM）是一种新型的材料,适合于航空发动机、大型冷凝器和燃气轮机等对服役环境要求高且复杂的领域。钛镍基FGM的传统制备方法存在着成分变化急剧、尺寸偏小、零件不够致密等缺点。双丝电弧增材制造（Dual-wire arc additive manufacturing,D-WAAM）技术可以通过原位合金化直接制备出钛镍基FGM,且具有精确控制成分、制备大尺寸构件、零件致密、效率高、成本低等突出优势。因此,本研究通过采用D-WAAM技术进行钛镍基FGM的制备,并展开相关研究。其研究内容包括:1)梯度层数对FGM显微组织与性能的影响。梯度层数指单个成分梯度的沉积层数。分别采用一层、二层、四层的梯度层数进行从Ti6Al4V到Inconel 625的沉积试验。结果表明,一层梯度层数的FGM会在整个构件的中下部生成大量Ni Ti2并发生断裂;四层梯度层数的FGM由于沉积的高度过高,使得整个构件的顶部与底部的温差过大并发生断裂;二层梯度层数的FGM内部与外部均无裂纹形成。因此,二层梯度层数更适合用来制作钛镍基FGM。2)TA1/Ti6Al4V-Inconel 625 FGM显微组织的演变。采用TA1/Ti6Al4V与Inconel 625进行钛镍FGM的沉积试验,并探究了TA1/Ti6Al4V-Inconel 625 FGM沿沉积方向微观组织的演变。结果表明,TA1-Inconel 625 FGM沿沉积方向从底部到顶部发生了如下相演变:α-Ti+β-Ti+Ni Ti2→β-Ti+Ni Ti2+Ni Ti→Ni Ti+Ni3Ti+（Cr,Mo）→γ-Ni+Ni Ti+Ni3Ti+Laves+（Cr,Mo）。Ti6Al4V-Inconel 625FGM沿沉积方向从底部到顶部发生了如下相演变:α-Ti+β-Ti→α-Ti+Ni Ti2→Ni Ti2→Ni Ti2+Ni Ti→Ni Ti+Ni3Ti+（Cr,Mo）+Laves→Ni3Ti+（Cr,Mo）。3)TA1/Ti6Al4V-Inconel 625 FGM的力学性能。Ti6Al4V-Inconel 625 FGM显微硬度的最小值370 HV0.2比TA1-Inconel 625 FGM的177 HV0.2大108.72%,表明Ti6Al4V-Inconel 625 FGM抵抗变形或破坏的能力更强。压缩强度与应变值的综合压缩性能也要优于TA1-Inconel 625 FGM,这是由于TA1-Inconel 625断口存在大量Ni Ti2。综合考虑,Ti6Al4V较为适合制备钛镍FGM。总之,本课题系统的研究了D-WAAM制备钛镍FGM,为制备FGM提供了新方法与研究思路,拓宽WAAM的应用范围,对FGM的研究与发展具有重要意义。

关键词： TIG电弧增材制造   钛基复合材料   颗粒增强   原位自生   数值模拟  

摘要： 钛及钛合金具有高强度、高热强度和优异的抗腐蚀性,但耐磨性差、硬度较低等缺点限制了其应用范围。在钛合金中加入陶瓷颗粒增强体原位生成含有增强相的钛基复合材料,可以很好的弥补钛合金本身的不足,提高其耐磨性、硬度等。钛基材料与增强材料的化学、物理性质不同,增加了颗粒增强钛基复合材料的生产难度,降低了其生产效率。将材料制备和形状制造一体化的增材制造技术有望解决其加工成型难的问题。本文将用TIG电弧增材制造技术以及药芯焊丝技术,以B4C增强相颗粒为主的药芯焊丝在电弧熔丝过程中原位生成Ti B、Ti C增强相,以提高钛基复合材料的耐磨性能以及硬度。本文基于TIG电弧增材制造技术以及药芯焊丝技术,逐层堆积制造5 wt.%和10 wt.%B4C颗粒含量的钛基复合材料成型件,并研究原位生成的增强相的成分、分布以及形成机理,探究焊丝中增强颗粒含量对成型件耐磨性能和力学性能的影响,分析热处理工艺参数对钛基复合材料成型件增强相分布及力学性能的影响。通过对成型件试样的实验测试发现当B4C颗粒质量分数占比为5 wt.%和10 wt.%时,原位反应生成的增强相Ti B、Ti C增强相以网格状分布。成型零件的微观硬度由增强颗粒含量占比5 wt.%的456 HV0.2增加到增强含量占比10 wt.%的492 HV0.2;各工艺参数试样的摩擦系数在0.45～0.47之间,成型件的磨损量由增强颗粒含量占比0 wt.%的44.7mg下降到增强体含量占比10 wt.%的21.6mg。成型件的摩擦性能有较大提升。为探究电弧增材制造颗粒增强复合材料的内部复杂物理机制,采用有限差分法建立了对熔池-增强相相互耦合的三维多相流模型,采用Tur-VOF法获取熔池自由表面,焓孔隙率法处理固液界面,建立了熔池流动流体动力学模型。其中模型考虑电弧压力、电磁力、表面张力、重力（浮力）以及熔滴过渡等作用的影响。通过离散相模型追踪熔池内的增强体,考虑增强体与熔池之间的传热与相互作用。基于上述模型计算并预测分析了熔池的流动、颗粒增强体在熔池中的轨迹与分布,以及对熔池流动性作用机理,并探究不同含量颗粒在熔池中分布的规律。

关键词： 增材制造   数据采集   传感器  

摘要： 电弧增材制造是一种利用金属堆积,逐层打印的制造方法。与传统多道工序制造方法相比,其拥有成形快速、流程短、绿色、个性化定制等优点,已经在航空航天、船舶等领域有了相应的应用。电弧增材制造被认为是能够推动下一次工业革命的技术。但是在增材成形过程中,制件容易出现裂纹、气孔、未熔合、异常堆积等内部或形貌缺陷,导致成品率和良品率较低。对增材成形过程中缺陷的识别是增材制造技术迈向成熟的瓶颈问题之一,而制造过程信息的高效采集与有效管理,是实现缺陷识别的基础。本文面向电弧增材制造过程监测的需求,设计并实现了一套基于.NET Framework框架、Redis数据库、Vue框架和Spring框架等技术,面向电弧增材制造过程的数据采集和管理系统。主要包括对增材过程数据进行采集的子系统、实现过程数据持久化的子系统、对采集的数据进行管理和整体监控的子系统等三个子系统。面向电弧增材制造过程数据采集的需求,数据采集子系统主要采集的数据包含三类。一类是机床信息包括制造过程中的机械坐标、绝对坐标等信息;第二类是实时变化的过程数据如电流、电压、送丝速度等;第三类是熔池相机数据。数据采集子系统构建基于.NET Framework框架,采用Windows窗体程序进行实现。数据存储子系统对上述信息进行存储,采用Redis内存数据库对数据进行存储,搭建了高可用、可扩展的数据库集群,满足数据存储的速度要求。数据管理子系统包含对采集的数据进行持久化备份、对服务器和数据库进行监控和预警等功能。前端和后端解耦分离,前端使用Vue技术,后端使用Spring技术。本系统采集的数据也将为数字孪生系统提供数据支撑,将软件工程思想和技术应用于增材制造的信息化建设中。经过测试表明,系统各个子模块运行稳定,没有明显错误,系统总体设计、技术选型和实现方法较为可行。在经过实验室相关人员的使用后收到了良好的反馈。

关键词： 电弧增材制造   熔滴过渡   凸轮振动送丝机构   制备工艺   神经网络  

摘要： 随着科技进步和制造业的不断发展,传统的切削、铣削加工方式已经不能再满足人类部分的加工需求。金属增材制造技术因为其在零件外形自由,材料利用率高并且可制造材料多等方面的优势吸引了国内外高校和研究所越来越多的关注。电弧增材制造技术作为金属增材制造技术的一个独特分支,其零件尺寸不受限制,成本低,对堆积金属材料不敏感的优点让其成为金属增材制造领域主要研究对象。然而,常用的电弧增材制造技术仍然存在着堆积精度低,成形件强度差等问题。如何提高堆积精度和增加成形件的强度成为电弧增材制造领域的一个研究热点。针对以上问题,本文选定“基于凸轮振动送丝电弧增材制造技术研究”为研究课题。 提出了一种通过凸轮振动送丝改变电弧增材制造熔滴过渡过程的新方法,该方法具有加工精度高,堆积件强度高的优点,应用该方法研制出了一种基于凸轮振动送丝的电弧增材制造实验系统。该系统结构简单、便于控制,堆积精度高,其主要由电弧增材制造平台、高速摄像系统、电信号采集系统以及一套自主设计与制造的凸轮对辊振动送丝机构等组成。 研究揭示了电参数和凸轮转速对单层堆积中熔滴过渡过程的影响规律,以及熔滴过渡频率和熔滴尺寸随着电参数和凸轮转速的变化规律。根据单层样件横截面熔池的腐蚀,探明了电参数和凸轮转速对于熔宽、熔深和余高的影响规律。利用高速摄像拍摄所得到的熔滴过渡图像,揭示了凸轮对辊送机机构影响熔滴过渡过程的机理。 研究探明了凸轮对辊送丝机构对于多层工艺堆积的影响规律。通过多层样件横截面参数的分析,发现了样件高度和宽度随凸轮转速的变化关系。通过多层样件的硬度测量、显微金相观察、拉伸强度测试、EDS和SEM的扫描,明晰了凸轮转速对于堆积样件机械性能的影响规律。基于熔池振动和晶粒细化,揭示了凸轮对辊振动送丝致使机械性能增强的机理。 通过单层堆积实验,基于BP神经网络建立了一个用于预测熔滴过渡过程的神经网络模型,以及电参数、凸轮转速与熔滴过渡参数之间关系的数学模型。利用该模型获得了良好的堆积参数,使用该参数进行多层堆积得到了表面质量较高的复杂多层样件。 采用自主设计的凸轮对辊振动送丝机构,通过堆积丝振动影响过渡熔滴的尺寸和过渡频率提高了堆积精度,通过熔池振动和晶粒细化提高了堆积样件的强度,对电弧增材制造技术的发展有着重要的理论和工程应用价值。

关键词： 电弧增材制造   圆柱面点阵结构   铝合金粉芯丝材   自生Al2O3相  

摘要： 具有良好隔热和承载性能的铝合金点阵结构是高超音速飞行器热防护系统的重要组成部分。电弧增材制造具有沉积效率高、成本低等优点,是成形铝合金点阵结构的有效新方法。但现有铝合金丝材电弧增材制造的点阵结构的隔热性能较低,且缺乏电弧增材制造曲面点阵结构的成形工艺,难以制备出满足使用要求的点阵结构。为此,本文开发电弧增材制造专用自生AlO相铝合金粉芯丝材,研究并制造具有良好隔热和承载性能的圆柱面铝合金点阵结构。取得以下研究成果:建立了自生AlO相铝合金粉芯丝材Al-Cu-Ni O合金体系,在电弧增材制造过程中,Al和Ni O发生置换反应生成AlO相。开发的自生AlO相铝合金粉芯丝材在点阵单元杆电弧增材制造中的熔滴过渡过程平稳、电弧稳定性好、飞溅率不高于0.8%,成形的单元杆表面粗糙度不超过11μm。研究了开发的自生AlO相粉芯丝材电弧增材制造工艺参数与点阵单元杆尺寸的关系。当送丝速度在3～7 m/min内、CMT周期数在1～5内、电弧枪偏移量在0～0.5mm内时,可精确成形直径在2.20～5.02 mm内和倾角在30°～90°内的点阵单元杆。分析了丝材粉芯中Ni O含量对单元杆组织和性能的影响。粉芯中Ni O含量的增加使得单元杆内的自生AlO相增多,促进了单元杆晶粒的细化,并产生第二相强化,提高了单元杆的强度;同时,自生AlO相与铝基体导热机制不协调而产生热量损耗,且晶粒细化使晶界数量增多而导致热量传递的路程增加,而降低了单元杆的热导率。优化出了点阵单元杆双级时效热处理工艺参数,一级时效温度为105℃、时效时间为10 h,二级时效温度为200℃、时效时间为22 h。双级时效热处理促进了单元杆内AlCu第二相的析出,提高了其对单元杆的第二相强化作用。采用圆柱面切片获得圆柱面金字塔点阵结构的成形路径,利用研制出的自生AlO相铝合金粉芯丝材在圆柱面上电弧增材制造出了包含300个单胞的2层金字塔点阵结构,自生Al2O3相有效的提高了圆柱面点阵结构的隔热性能和承载性能。

关键词： Ti-Al(48at.%)合金   PAW电弧增材制造   温度场   显微组织   应力场   抗拉强度  

摘要： Ti-Al合金是一种理想的新型轻质高温结构材料,具有高熔点、高比强度、耐蚀、耐磨以及优异的抗氧化和高温蠕变性能等优点,使用温度高达700～1000℃,密度仅为镍基高温合金的1/2,广泛应用于航空航天、船舶、汽车、生物医药等领域。本研究采用等离子电弧作为热源,通过双丝电弧增材制造（WAAM）沉积Ti-Al（48 at.%）合金。采用金相显微镜、x射线衍射和电子背散射衍射分析了合金不同区域的显微组织和相组成。采用红外热成像测量温度场,盲孔法测残余应力,并通过数值模拟方法分析了瞬态温度场和残余应力分布。通过改变基板的预热温度研究了预热温度对裂纹产生的影响,进一步研究了沉积过程中裂纹产生的原因。试验结果表明: 在两种热源的最大热流密度保持一致的情况下,由于TIG电弧热源收缩程度较差,导致其功率大于PAW电弧。因此在PAW电弧沉积Ti-Al合金过程中可减小沉积过程中的热积累,使沉积件温度场分布更加均匀,进而对残余应力分布造成影响。PAW沉积Ti-Al（48 at.%）合金沿厚度、熔覆方向的残余应力变化均匀。TIG沉积Ti-Al（48 at.%）合金沿厚度、熔覆方向残余应力变化梯度较大。因此,PAW沉积Ti-Al（48 at.%）合金的组织均匀性、抗裂性优于TIG。 在PAW电弧沉积Ti-Al合金的过程中,观察到了厚度方向的组织变化。沉积件主要由α2-Ti3Al和γ-TiAl相组成。α2相在沉积件底部、中部、顶部的含量分别为5.85%,3.92%和3.16%。随着沉积位置的变化,从沉积件底部到顶部片层间距逐渐减小,分别为2.134μm、1.202μm和0.348μm。沉积件底部、中部和顶部的热导率分别为37.701 W/（m*k）、34.010 W/（m*k）和33.671 W/（m*k）。组织变化引起的散热变化差异是热积累加速增加的原因之一,进一步增强了热积累和应力分布变化。 PAW电弧制备的Ti-Al合金壁的力学性能表明,组织变化对力学性能产生影响。沉积件顶部抗拉强度和延伸率分别为418.84 MPa和52.3%、中部抗拉强度和延伸率分别为378.70 MPa和43.5%、底部抗拉强度和延伸率分别为229.15 MPa和21.8%。沉积件顶部显微硬度最大,为424 HV,底部显微硬度次之,为396 HV,中部显微硬度最小,为377 HV。 PAW电弧沉积Ti-Al合金的裂纹出现在起始端底部,从边缘往中心扩展。随着基板预热温度从560℃提高至620℃、680℃,片层间距增大,硬度降低,开裂倾向减小。当基板预热温度为680℃时,裂纹消失。基于瞬态热应力耦合场分析表明,随着基板预热温度的增加,沉积件瞬态应力减小。 随着沉积高度的增加,下部凝固层YZ-瞬态剪切应力首先随之增大,达到最大值后又随之减小。沿厚度方向底部YZ-瞬态剪切应力大于中部和顶部。在沉积件底部,起始端YZ-剪切应力和Z方向应力均大于末端。因此沉积件底部起始端裂纹敏感性较大。

关键词： WE43镁合金   电弧增材制造   显微组织   数值模拟   后热处理  

摘要： 镁合金拥有较高比刚度、比强度、导热导电性能、阻尼减震及电磁屏蔽性等优势,节能减排的同时带来显著的轻量化效益,广泛用于航空航天、轨道交通、军工、3C等领域。铸造和变形加工是镁合金传统的成形方式,由于镁本身的强氧化倾向,压铸出的镁合金构件质量较低,限制了其在关键领域的应用;变形镁合金力学性能较好,但受限于加工工件复杂度、效率和成本,目前工程应用占比仍较低。近30年来,增材制造技术的发展备受关注,尤其是能够一体化快速成形大尺寸一体式金属构件能力的丝材-电弧增材制造技术(Wire arc additive manufacturing,WAAM)。基于电弧熔覆逐层堆积的增材制造技术,具备金属填充速度快、效率高,增材成本低,增材尺寸不受限等优点,在快速成形复杂度较低的中大型零件方面具有显著优势。WE43镁合金作为经典的稀土镁合金,具有优异的热稳定性、高温蠕变性和生物相容性,具有广阔的应用前景。为研究沉积工件的成形情况,本文对WAAM WE43成形工艺参数进行探索;为了解WAAM制造过程中多道热循环对工件组织和力学性能的影响,观察其组织和测试力学性能;采用有限元分析对整个WAAM过程进行了模拟,以确定各阶段温度场及应力场的演变规律;为克服WAAM WE43性能不足问题和提升其工程应用潜力,探索合适的不同热处理方式的工艺参数,对比热处理后WAAM WE43镁合金的组织和力学性能,实现强化并分析机理。取得了以下研究结果:(1)WAAM WE43镁合金具有显著的组织特征和较好的力学性能。制备出的WAAM WE43镁合金组织均匀,晶粒尺寸在20.3μm左右,但显微组织在不同区域呈现差异。进一步分析证明,由于逐层堆积过程中热输入的非线性传导和积累,促使熔池金属非平衡凝固组织中的第二相回溶,回溶的特征宏观表现为顶部圆弧区的组织逐渐向中间稳定区的转变;显微组织的不同使得整体硬度分布也存在差异。单道多层件整体的平均硬度为73HV,而在顶部圆弧区平均为68HV;力学性能试验结果表明,WAAM WE43镁合金在水平和垂直方向的拉伸和压缩性能相接近,无明显各向异性,其抗拉强度UTS(Ultimate tensile strength)、屈服强度YS(Yield strength)和延伸率EL(Elongation)分别为235.3MPa、165.0 MPa、16.7%,较该合金铸态和轧制态更加优异,断口呈混合断裂特征,裂纹萌生于第二相内部或与基底结合界面处。(2)通过有限元模拟的方法对WAAM WE43过程中温度场和应力场进行模拟。模拟结果与实际测量的温度循环曲线能够较好拟合,说明建立的单道单层、单道15层模型效果较好;单道单层沉积过程中熔池逐渐打开后稳定,初始的圆形温度场逐渐被拉长呈椭圆状,后热量逐渐向基板周围传递快速冷却,稳定后的熔池最高温度在1050℃左右;冷却后应力分布于沉积部分并向基板周围扩展,红色最高应力区出现在沉积部分和基板交界处;单道多层沉积过程中,沉积层数较少时温度场平铺于沉积部分和基板,沉积层数增多后,沉积高度随之提高,温度场逐渐收缩至沉积部分,层间的峰值温度也因为热量的积累由1029℃提高至1283℃;电弧加热作用的影响范围在3沉积层,1-2层处于未完全熔化的半固态,应力循环也出现了对应次数的峰值和最低应力值,熔化状态下材料的应力值为0;不同路径应力值的分布呈先上升后下降的趋势,具有一定对称性,随着沉积层数增多,传递至基板的热量能达到的最高温度逐渐下降导致整体的应力值下降,但沿沉积方向沉积部分与基板交界位置会出现应力突起现象,沉积数越高该现象越明显。(3)采用传统的后热处理方式(包括T4、T5和T6)对WAAM WE43镁合金进行处理。结果表明,采用T4处理后沉积组织中沿晶界或晶内分布的板条状和颗粒状第二相能够有效溶解,元素分布更加均匀,减小晶界处应力集中,提升沉积件的塑性,延伸率由16.7%提升至22.3%;T5处理后具有的第二相数量最多,相比沉积态,力学性能提升但塑性下降,UTS、YS和EL分别可达308 MPa、210 MPa、10.8%,并且显现强度上的各向异性;T6处理后WAAM WE43显微组织具有最多的时效析出第二相,形成析出强化,维氏硬度从沉积态73HV提升至105HV,UTS、YS和EL分别可达331 MPa、237 MPa、9.3%,强度较沉积态提高了近31%。热处理后WAAM WE43性能优异,可媲美或优于铸态和SLM态,但综合力学性能仍较低;断口形貌特征,T4状态下裂纹通常萌生在絮状第二相内部或界面,T5状态下裂纹萌生于网状第二相内部,具有沿晶断裂特征,T6裂纹则在时效析出的块状第二相处萌生,具有沿晶和穿晶混合断裂的特征。

关键词： 激光-电弧复合增材制造   不锈钢   沉积效率   失稳   显微组织   拉伸性能  

摘要： 增材制造是一种基于“分层-叠加”原理,实现金属构件高品质一步成形的新技术,也是当前的研究热点。现有主流工艺都面临难以实现沉积效率和成形精度平衡调控的问题:激光增材制造精度高,但效率偏低;电弧增材制造（WAAM）效率高,但精度较差。激光-电弧复合增材制造（LHAM）能够通过两种热源的相互作用增强电弧高速稳定性,解决WAAM的大电流熔池失稳问题,从而同时提升沉积效率和成形精度。但是,相关工作,尤其是高功率LHAM尚未开展。为此,本文系统研究了不锈钢高功率LHAM的工艺稳定机制和组织性能演变规律,主要结果如下: 研究了工艺参数对LHAM薄壁墙沉积效率和形貌特征的影响规律,得到了可获得稳定且无气孔缺陷成形所需的工艺参数范围,实现了沉积效率和成形精度的平衡调控:在同样的成形精度下（～200μm）,单丝沉积效率是WAAM的2.5倍,从377cm3/h提升至942 cm3/h;在同样的沉积效率下（～377 cm3/h）,LHAM侧壁粗糙度降低了74%,并据此建立了平均层高、层宽和粗糙度的回归模型和控制方程,能够准确预测试件沉积效率和成形精度,为工业应用参数选取提供依据。 基于熔滴过渡和熔池边界受力分析,探讨了在无基板支撑条件下,大电流或高速WAAM和LHAM熔池失稳的关键影响因素及其稳定机制。LHAM能够通过激光对电弧的吸引和压缩作用,提高熔滴过渡持续时间,使得熔滴过渡由WAAM失稳状态下的多种过渡方式并存的不稳定状态转变为平稳的冷金属过渡或中等颗粒射滴过渡模式。LHAM本身熔池失稳与否取决于表面张力和内部静水压力在熔池边缘是否达到平衡,只有在两者平衡的情况下,才能避免液态金属的快速下淌,维持熔池稳定。 研究了工艺参数对LHAM试样显微组织的影响规律,发现所有试样均由具有外延生长特性的奥氏体和铁素体组成,中部稳定区按铁素体形貌可分为细晶重熔区（FGRZ）和粗晶熔化区（CGMZ）。CGMZ铁素体通常表现为连续或部分连续网状形态,但是会在脉冲电弧熔滴冲击或扫描光束高频搅拌作用下转变为颗粒状、蠕虫状、网状等多种形貌混合特征。晶粒外延生长特性导致制件会沿建造方向形成织构,但激光能量传输模式对其织构分布特征有显著影响:当激光能量传输为热导模式时,因为晶粒生长方向与建造方向平行,试样只形成{001}<100>立方织构;当激光能量传输为深熔模式时,晶粒生长方向会向<110>方向偏移,导致试样由{001}<100>立方织构和{110}<100>高斯织构共同组成。 揭示了工艺参数对材料拉伸性能和耐蚀性能的影响规律,在优化的工艺参数下,LHAM试样各项性能相对于WAAM有明显提升:最大抗拉强度由530 MPa提升至600 MPa以上,抗拉强度各向异性从10.9%降至0.5%,耐蚀性能最大提高2.28倍。通过归一化FGRZ和CGMZ枝晶间距计算了细晶强化、固溶强化和析出强化三种强化机制的贡献程度,分别为:166.6、27.7和3.3 MPa,证明细晶强化的贡献最大,并据此提出了两种增强LHAM拉伸性能的方法。 探讨了沉积策略对100 mm×100 mm×70 mm的长方LHAM实体成形、组织、性能的影响规律,发现沉积策略不影响实体不同截面的显微组织组成,但采用90°连续沉积策略因为散热条件更随机,能获得综合性能更好的LHAM零件:和薄壁墙相比,单丝沉积效率由942 cm3/h进一步提升至1036 cm3/h,实体零件抗拉强度略低4%,但延伸率提高10%以上,均满足ASTM A 479标准。