关键词： Al-Zn-Mg-Cu合金   电弧增材制造   强度-塑性双提升   晶粒细化   纳米沉淀相  

摘要： Al-Zn-Mg-Cu合金广泛应用与航空航天领域,而且由于先进航空飞行器向着重量减轻,机动性提高的方向发展,既能低成本又能很高效的制造出可靠性高、功能结构一体化的大型航空飞行器的部件成为了航空制造技术发展的新难题。由于大型复杂铝合金结构在飞行器上使用的越来越广泛,采用传统的塑性加工方法十分不便。增材制造技术是通过CAD设计数据,采用材料逐层累加的方法制造实体构件的技术。与传统制造技术相比,可以快速而精确地制造出各种复杂零件,大大减少了生产周期,降低了制造成本。但目前关于Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材制造方面的研究较少,且多集中在成形方面。一方面,由于电弧增材制造热源的特殊性,沉积件的晶粒尺寸难以控制,难以提升性能;另一方面,仅通过热处理或加工硬化等手段,材料强度虽有大幅提升,但塑性却有所下降。这种强度-塑性博弈机械特性对金属材料应用提出了巨大挑战。本研究采用了异质颗粒-热处理复合强化手段对Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材沉积件组织性能进行改性,克服了Al-Zn-Mg-Cu合金的强度-塑性博弈的机械特性,并对沉积件强度-塑性提升机制进行了深入探讨。首先探究了TiN颗粒尺寸、浓度对Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材沉积件组织性能的影响,并对沉积件的晶粒形貌和性能影响机制进行探讨。研究发现TiN(μm)沉积件晶粒尺寸由692.6μm降到了79.1μm,细化效果达到了88.6%;TiN(nm)TiN沉积件晶粒尺寸减小到62.9μm,降低了92.9%,细化效果相近。虽然沉积件强度提升不明显,但延伸率大幅提升,水平延伸率提升了160%,垂直延伸率提升了98%。另外本研究通过对Al-Zn-MgCu合金的凝固过程和析出相等方面的探究得出异质形核和细晶强化是沉积件晶粒细化和塑性优化的主要机制。其次探究了热处理对沉积件组织性能的影响。研究发现热处理之后晶界处和枝晶间隙的溶质和杂质元素偏聚消失,不同形状的金属间化合物特征被抑制,Zn、Mg元素充分固溶进Al基体中。T6热处理对沉积件强度的提升作用最明显,较常规沉积件相比:水平拉伸强度由243MPa提升到了513MPa、垂直拉伸强度由230MPa提升到了504MPa、显微硬度由119HV提升到了205HV,并且在垂直方向上分布更加均匀。最终通过复合加工手段成功得到了强度-塑性双提升的沉积件。沉积件两方向上的拉伸强度由219.4MPa提升到487.9MPa(水平),252.2MPa提升到469.3MPa(垂直),强化效果分别达到了122.3%和86.1%,硬度由105.3HV增长到192.2HV,增长了82.5%,延伸率由4.6%提升到12.6%(水平),6.2%提升到10.0%(垂直),分别提升了173.9%和61.3%。且波动较小。另外本研究通过对Al-Zn-MgCu合金的凝固过程、析出相等方面的探究得出细晶强化、沉淀强化的综合作用是沉积件性能强化的主要机制。

关键词： 熔丝电弧增材制造   数值模拟   超声冲击   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种具有巨大的发展潜力的制造技术,具有材料利用率高、沉积效率高、制造成本低等特点,使其在大型零件的快速成型方面具有独特的优势,近年来引起了生产业和学术界的高度关注。目前,WAAM的研究重点大多集中于成形控制与工艺参数优化,而对于成形过程中温度、应力场的变化规律及分布的研究较少。本文采用数值模拟方法,研究了电弧增材单道多层沉积过程中成形件温度、应力的变化规律。旨在阐明WAAM的物理过程,为WAAM的质量提升提供理论依据。 此外,由于WAAM的热输入大,成形件中容易产生粗大的柱状晶,严重影响成形件力学性能。针对这一问题本文将超声冲击强化(Ultrosonic Impact Treatment,UIT)对WAAM成形件进行了后处理,研究了UIT对WAAM铝合金成形件微观组织与力学性能的影响规律和作用机理。主要研究工作如下: (1)基于温度场分析理论与热塑性分析理论,建立了WAAM有限元分析模型。通过实验对该模型进行了验证,结果表明误差在可接受范围内,所建立的有限元模型可以用来表征WAAM的物理过程。 (2)研究了WAAM过程中温度场与应力场的变化规律。结果表明,在WAAM中,成形件内的温度与应力经历了反复升降的循环过程;随着沉积过程的进行,成形件中的热积累逐渐严重。另外,研究了沉积路径对成形件的影响,结果表明往复沉积路径下,成形件内温度、应力场的分布更为均匀。 (3)对有限元模拟结果进行了响应面分析,分析了送丝速度、焊接速度、冷却时间等因素的对成形件残余应力的显著性与各因素间交互作用。对工艺参数进行了优化,得最佳参数为送丝速度6.9m/min,冷却时间15s,焊接速度0.8mm/min,此时的理论残余应力为34.6MPa,实际测试结果为31.1MPa,误差为10.15%。 (4)研究了UIT对WAAM微观组织及力学性能的影响规律。结果表明UIT能有效破碎成形件内的粗大柱状晶组织,改变析出相的尺寸与分布,同时在材料表面引入有益的压应力。经冲击强化后,成形件内部的织构强度有所降低,位错密度有所增加。力学性能方面,硬度与强度均有所提高,但塑性有所下降。

关键词： 超声振动   CMT电弧   增材制造   Inconel625   组织与性能  

摘要： 基于冷金属过渡技术的电弧增材制造(CMT-AM)具有快速成形、制造周期短、材料利用率高等优点,在大尺寸镍基合金零部件增材制造方面表现出较大的潜力,但增材部件存在微观组织和性能的不均匀等问题。超声振动在传播介质中具有空化效应、声流效应和机械效应等复杂效应,将超声作用于熔池,能加速熔池液体的流动,对熔池凝固组织的晶粒有明显的细化作用,进而可以改善CMT电弧增材制造部件的性能。因此,本文主要针对超声辅助CMT电弧增材制造镍基Inconel625部件显微组织及性能的调控开展了以下研究:首先研究了不同CMT工艺及施加超声振动对增材制造Inconel625部件成形的影响规律。结果表明:堆焊层成形受到CMT工艺和超声振动的共同作用,当热输入在5.45～9.01k J/cm区间内,超声能提高熔宽、熔深、润湿角和熔合比;过大的热输入能削弱超声作用效果且会造成弧坑、飞溅缺陷;热输入过小时,超声能加速熔池凝固,不利于堆焊层成形。超声频率的改变对堆焊层的成形影响较小。在立体成形薄壁试样的增材制造中,施加超声振动能促进熔池铺展的更均匀,有利于层间良好的过渡,还有利于提高成形精度,显著减少层间焊瘤。其次对增材试样的显微组织、元素分布和物相结构进行了分析,结果表明:在不同焊接电流或焊接速度下,超声振动均对堆焊层中组织有细化晶粒和破碎枝晶的效果。施加超声振动还能打乱薄壁试样中柱状枝晶的连续性和降低薄壁试样晶粒组织的的择优取向。超声频率越大,越不利于柱状枝晶的连续生长。超声振动促进了Mo、Nb等溶质元素的扩散,降低了析出相中Nb元素的偏析程度,并且超声频率越大,抑制Nb元素偏析的效果越显著。XRD分析结果表明,施加超声振动有利于降低微观组织的晶格畸变程度。最后研究了超声振动对薄壁试样力学性能及断裂行为的影响。结果表明:常规薄壁试样的显微硬度主要分布在245～265HV。超声振动对薄壁试样上部区域改善效果最为明显,显微硬度提高了约11HV,超声频率越大越有利于降低薄壁试样过渡区显微硬度突变的程度。薄壁试样上部区域拉伸性能最低,常规薄壁试样的抗拉强度为413.83MPa。超声振动能提高薄壁试样在焊接方向的抗拉强度,并且对上部区域抗拉强度提高效果最好,抗拉强度提高到488.22MPa,提升率达到17.98%。超声频率的改变对抗拉强度作用效果较为复杂,其中超声频率为20k Hz时增材方向拉伸试样的抗拉强度提高了6.23%,施加28k Hz频率的超声对焊接方向拉伸试样的抗拉强度提高了6.27%;40k Hz频率的超声有利于促进薄壁试样各向同性。超声振动对焊接方向延伸率的提升效果在1～5%,且距离母材越近提升效果越明显。超声频率的改变对延伸率影响很小,不同频率作用下拉伸试样之间的延伸率差距小于3%。断口分析表明,断裂机制为韧性断裂,断口截面处存在大量韧窝,韧窝在超声作用下尺寸更大且均匀。

关键词： 电弧增材制造   点云数据   缺陷检测   实例分割  

摘要： 电弧增材制造技术因沉积率高、短周期、高利用率和低成本等优点,具有广泛的应用前景。但在其生产过程中,存在很多干扰因素使零件表面产生缺陷,影响零件的成形精度。在电弧增材制造过程中,检测零件表面缺陷并对缺陷区域进行修补可以提升零件的最终成形质量。基于电弧增材制造点云数据的表面缺陷检测系统可以应用于电弧增材制造的在线监测领域,提高电弧增材制造生产过程的自动化程度和成形零件的精度。首先,将系统的功能模块划分为点云数据采集、点云数据处理、图像处理、数据库查询与显示、在线与本地缺陷检测模块,并且设计了一种在线检测电弧增材制造零件表面点云的整体流程。其次,针对点云采集中存在噪声的问题,使用统计滤波对原始点云进行去噪,提出一种随机采样一致性算法和基于灰度阈值的改进分水岭算法结合的改进分割算法,实现了零件当前打印层目标区域的准确分割。然后,因大规模稠密点云的缺陷检测计算消耗大、处理时间长,根据体素网格化思想设计点云数据转换高度图的算法,降低数据维度,并针对高度图缺失数据点问题,基于拉格朗日插值实现图像缺失像素值修补算法。最后,针对电弧增材制造当前打印层表面缺陷,改进了Mask R-CNN算法,在Mask R-CNN实例分割算法的特征提取网络Res Net101中嵌入通道注意力模块,并更改网络中锚框的长宽比,使网络有更好的缺陷特征提取效果。基于功能模块设计开发了结合点云处理、图像处理和深度学习技术的表面缺陷检测系统。对系统进行测试的结果表明,改进Mask R-CNN算法比原始Mask R-CNN的8)提升了2.1%,有更好的检测效果。设计实验验证修补算法的均方根误差仅为1.5225,表明修补像素值有效。实验验证改进分割算法的F1值为0.8922,可以准确分割目标区域。检测百万数量级零件表面点云中的缺陷平均用时为5s,满足在线检测电弧增材制造零件表面缺陷的需求。

关键词： 6061铝合金   电弧增材制造   T6热处理   搅拌摩擦处理  

摘要： 电弧增材制造技术是一种以电弧为热源,采用逐层熔覆堆积的方式制造金属实体构件的先进制造技术,由于电弧增材成形构件化学成分均匀、致密度高、对成形构件尺寸限制少,且堆积效率高,整体制造周期短、成本低等优点,因而受到广泛的关注。随着对材料性能要求的提高,人们开始研究电弧增材构件的后处理方式,以期获得更好的综合性能。本文以6061铝合金作为研究对象,探索适宜的工艺参数窗口进行电弧增材制造,并对成形良好的电弧增材构件进行不同热处理以及搅拌摩擦处理,研究其对6061铝合金电弧增材构件硬度、拉伸性能的影响,并从成形形貌、金相组织、断口扫描等方面对搅拌摩擦处理与热处理组合工艺处理后的试样不同区域进行微观组织结构分析,得出主要结论如下:(1)6061铝合金电弧增材制造焊接参数在送丝速度和焊接速度的比值F/T在0.5～1之间,且送丝速度T选择5～7m/min之间时可获得良好焊道形貌。在其余条件不变的情况下,随着送丝速度增大,熔池余高、熔宽也会逐渐变大,但是熔宽过高会出现熔池坍塌的现象;随着焊接速度的增加,增材试样的熔宽、余高均减小。不同堆积路径对电弧增材构件成形形貌影响不同,往复堆积并调速控制能有效调整6061铝合金电弧增材构件的成形形貌,经过调整后的构件表面平整,两端坍塌较小。每层堆积完成后因调整层间停留时间使构件温度降至一定水平,并随着堆积高度的增加而延长以期获得良好的成形形貌。(2)对于电弧增材制造成形构件,焊道层与层之间交界处为结合层,其余区域为沉积层,结合层和沉积层呈现出沿堆积高度方向灰白色带依次交替的形貌,并都呈现出各种尺寸大小的气孔多发的状态且结合层的晶粒尺寸大于沉积层;成形构件沿着堆积方向硬度变化不大,结合层硬度低于沉积层,且硬度波动性更大整体平均硬度为75.82HV。不同区域水平方向强度差异不大,电弧增材成形构件的力学性能存在各向异性。(3)热处理后的冷却速度会影响富铁相的转换,导致合金元素成分分布不均匀,热处理后水冷处理的电弧增材试样,其硬度波动更大,说明其元素均匀化程度相对低,随炉冷却的电弧增材试样力学性能更稳定,硬度波动更小,风冷处理居于两者之间。不同热处理工艺对电弧增材构件的组织与性能有着重要影响,6061铝合金电弧增材构件适宜的T6热处理工艺为:380℃退火热处理x2h(炉冷),530℃固溶淬火热处理x1h(水冷),160℃完全时效处理x12h(炉冷),相比于未经热处理的电弧增材构件,其整体平均硬度提升了25.7%,抗拉强度提高了7.1%,延伸率提高了6.1%。(4)表面不平整会影响电弧增材构件的搅拌摩擦处理,铣削处理后的电弧增材构件具有较大的搅拌摩擦处理工艺窗口,在搅拌头转速为800～1200r/min,横向移动速度为100r～400mm/min的范围内,均能在搅拌摩擦处理后不产生明显缺陷,宏观形貌上焊道周围形成的飞边较小,组织均匀致密,材料流动性较好,且首尾端焊接表面较为平整。电弧增材构件结合搅拌摩擦处理和T6热处理后,相对于未经任何处理构件,搅拌+T6热处理构件的整体平均硬度提高了36.12%,平均抗拉强度提高了10.84%,平均屈服强度提高了22.3%,水平方向与竖直方向的延伸率相差更小,这说明经过搅拌和热处理的6061铝合金电弧增材构件各向异性减弱。

关键词： 增材制造   316L不锈钢   光谱诊断   逐层堆焊  

摘要： 电弧增材制造技术是以电弧为热源，采用逐层堆焊的方式成形金属构件的新兴制造方法，具有制造成本低廉、成形效率高的突出特点，在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。尽管电弧增材制造技术已经得到了快速的发展，但仍存在组织性能调控困难、增材构件残余应力与变形大等问题，这都与构件在成形过程中受到的反复热循环有关。通过研究增材构件热量变化特征，对提高构件的性能与形状控制，具有重要作用。电弧作为增材制造的热源，直接决定了构件的输入热量，准确测量增材电弧温度等热力学参数对分析增材制造过程中构件热量变化规律具有重要意义。TIG(TungstenInertGasWelding)电弧增材制造具有较低的能量输入、不易飞溅、组织形貌稳定性高等特点，应用十分广泛。因此，本文以TIG增材电弧为研究对象，阐明增材热力学参数等物理特性，为增材构件微观组织与机械性能控制提供理论基础。　　本文针对TIG增材电弧中焊丝的干扰性、电弧的非对称性等特点，提出了TIG增材电弧光谱诊断新方法，通过对增材电弧温度等物理特性以及增材电弧中金属元素的分析，揭示了增材电弧温度的变化特点及影响因素，阐明了增材电弧温度的变化规律及金属蒸汽的运动规律。主要内容如下：　　首先提出了TIG增材电弧的标准温度法，并对热力学非平衡状态及平衡状态的增材电弧温度进行了光谱诊断。通过与Boltzmann光谱诊断方法计算的增材电弧温度进行对比，认为两种方法具有较好的一致性。利用标准温度法计算了热力学非平衡状态的增材第一层电弧温度场及热力学平衡状态的增材第十一层电弧温度场，计算结果表明增材一层电弧中心温度达到19500K，增材第十一层电弧中心温度达到18000K。焊丝的加入，减小了增材电弧半径，降低了增材电弧的温度，焊丝侧增材电弧温度比无焊丝侧降低300K左右;与无焊丝侧相比，焊丝侧半径减小约8%。　　其次，分析了增材过程中构件形态及构件温度对增材电弧温度的影响，结果表明，构件温度和构件形貌均会使电弧温度降低。增材第一层与第十一层的构件温度变化导致增材电弧温度整体降低了180K，构件形貌变化导致增材电弧温度整体降低了500K。　　最后，分析了增材电弧中的金属元素及其运动情况。利用增材电弧光学信息分析可知，在TIG增材316L不锈钢直壁构件的增材电弧中，主要金属蒸汽为Cr。通过高速摄影配合不同中心波长的窄带滤光片获得了不同元素的增材电弧特征谱强度分布，结果表明，金属蒸汽主要分布在增材电弧的外侧，增材第十一层电弧中金属铬金属含量比增材第一层含量高，电弧中金属蒸汽的增加会使得电弧温度降低。　　本文的研究结果丰富了增材制造的基础理论，为电弧增材过程中热源能量的定量计算提供了新方法，为增材构件的性能控制提供了理论依据。

关键词： 增材制造   装备设计   表面质量   热输入  

摘要： 电弧熔丝增材制造是一种将增材制造原理和焊接技术相结合以近净成形金属零件的新型智能制造技术,因其设备简单、成本较低、适用于制造大型零件等特点,受到了汽车、航空航天等行业的高度关注。高沉积速率是该工艺的主要优点,但这种优点的代价是大量的热输入,对电弧增材制造零件的表面质量和力学性能产生直接影响。然而,目前针对表面质量的系统性评价方法及热输入影响作用的研究较少,评价成形质量时具有的主观误差较大,不利于进一步提高电弧增材制造零件的成形质量。因此,建立一种有效的评价方法及研究热输入对成形件表面质量的影响,是提高电弧熔丝增材制造成形质量的关键途径。首先设计电弧熔丝增材制造装备。本电弧增材制造装备设计的基本思路是以PLC为核心,控制焊机、自动送丝机和三轴电机进行协调运作。PLC通过调节中间继电器,控制焊机的启停,通过电机驱动控制自动送丝机的送丝轮,调节送丝轮可以调节自动送丝的速度,通过电机驱动调节三轴上电机的运转情况,控制电机的启停以及熔丝速度、熔丝方向、熔丝轨迹。三轴的电机安装在移动滑台上,对移动滑台的动作施以控制从而进行有序的熔丝增材制造。通过对PLC进行程序的编写,控制三轴电机的启停运转、送丝机和焊机的启停与调节以及整套电弧熔丝增材制造装备的协同运作。其次建立一种有效的表面质量评价方法。在对此电弧熔丝增材制造装备的基础工艺进行研究后,再对电弧熔丝增材制造成形件的表面质量进行评价。分析了主要工艺参数对电弧熔丝增材制造铝合金成形件的影响,包括电流、送丝速度、成形速度和保护气体流量。利用田口方法,找到了适合此电弧熔丝增材制造装备的最佳工艺参数。最后研究热输入对电弧熔丝增材制造的影响。通过改变工艺参数,在不同热输入下电弧增材制造了单层单道铝合金试样。使用热电偶监测了成形过程中温度的变化情况。根据所得数据和已建立的表面质量评价方法,分析了热输入对电弧熔丝增材制造成形件表面质量的影响。热输入对电弧增材制造试样的表面质量具有较高程度的影响,较高或较低的热输入均对其产生不利。本研究为电弧增材制造设备设计和电弧增材制造铝合金零件提供了实际经验和理论指导,为加工出高精度的高品质产品提供了理论方法和实验依据,具有较高的工程应用价值。

关键词： 310S不锈钢   电弧增材   超声冲击   微观组织   力学性能  

摘要： 310S不锈钢具有良好的力学性能、可焊性和高温稳定性,被广泛应用于核能、化工等领域。电弧增材制造技术具有高效率低成本的优点,已在不锈钢、钛合金、高温合金等构件制造中得到应用。但是由于电弧增材成形件微观组织为铸态组织,力学性能不佳,同时电弧增材制造工艺参数对310S不锈钢微观组织和力学性能的影响尚不清楚。本文面向310S不锈钢核电管道局部结构的制造,开展了310S不锈钢超声冲击辅助电弧增材成形工艺和性能研究,搭建了超声冲击辅助电弧增材制造平台,对成形构件进行微观组织和力学性能的实验分析,研究了线能量密度、冷却速率、超声冲击与电弧增材成形310S不锈钢的微观组织和力学性能的关系。首先,针对逐层沉积后超声冲击方案,设计了超声冲击枪夹持装置与三轴运动平台相结合的超声冲击辅助电弧增材制造平台,重点对夹持装置及其与三轴移动平台连接处的螺栓进行了强度分析与设计,搭建了超声冲击辅助电弧增材制造平台。其次,研究了电弧增材制造过程中工艺参数和冷却速率对310S不锈钢微观组织和力学性能的影响。结果表明,电弧增材成形的310S不锈钢构件微观组织主要由奥氏体柱状树枝晶、σ相和MC碳化物组成。随着线能量密度的增大,310S不锈钢直壁件底部区域的奥氏体一次枝晶间距逐渐增加,第二相析出数量增多。同时,随着线能量密度的减小或冷却速率的增加,电弧增材成形310S不锈钢的力学性能逐渐提高。当线能量密度为750 J/mm时,电弧增材310S不锈钢抗拉强度最大,可达501.69 MPa,但仍低于310不锈钢锻件的力学性能。最后,研究了超声冲击对电弧增材310S不锈钢微观组织和力学性能的影响。研究发现,超声冲击辅助工艺可有效细化奥氏体晶粒,这是由于超声冲击引发的沉积层塑性变形提高了组织内部的位错密度,受后续增材再热作用影响,再结晶细化现象明显。当线能量密度为750 J/mm时,310S不锈钢直壁件底部区域平均晶粒尺寸为40.88μm,达到最小,屈服强度和抗拉强度达到峰值,均高于310S不锈钢锻件标准。

关键词： 激光-电弧复合增材制造   Al-Cu合金   栅格结构   微观组织   力学性能  

摘要： 以Al-Cu合金为代表的高强铝合金因其比强度高、断裂韧性好、可焊性优良、耐热性和耐腐蚀性强等优点,在航空航天领域轻量化构件中得到了广泛应用。栅格结构作为轻量化结构的典型代表,具有强度-质量比高、空间刚度和损伤容限大、制造成本低等优势,应用潜力巨大。增材制造技术通过逐层累积材料实现结构制造,是实现高强铝合金栅格结构制造的有效手段之一。但栅格结构存在交叉节点特征,激光增材制造易开裂,而电弧增材制造易产生粗大组织,严重影响制造构件的服役性能。为解决上述问题,本文提出了激光-电弧复合增材制造Al-Cu合金栅格结构的新方法,探究了激光-电弧复合热源作用以及扫描路径对微观组织的影响,建立了栅格结构典型交叉节点熔池流动数值模型,分析了微观组织与力学性能间的关系,揭示了复合增材制造过程微观组织演变和力学性能变化规律。主要研究内容以及相关结论如下:(1)开展了复合增材制造工艺实验,建立了交叉节点成形过程数值模型,实现了栅格结构增材制造。选取合适的工艺参数,如激光功率、电弧电流、扫描和送丝速度、搭接程度以及扫描路径等,制备出Al-Cu合金栅格结构试样;基于计算流体力学方法构建包括几何模型、热源模型、熔滴模型和熔池作用力模型在内的三维数值模型,对栅格结构交叉节点的增材制造过程进行数值模拟。模拟结果与实际偏差仅为1.1%,在交叉节点处都观察到了明显的弧形交叉特征。(2)揭示了复合增材制造栅格结构试样交叉节点处横、纵截面的微观组织分布和演变规律。依据晶粒形态差异,将横、纵截面分为顶层与其余层。其余层单层内分为电弧区(AZ)和激光区(LZ),AZ内主要为粗大柱状晶,而LZ内较小的G/R、较大的G·R和反冲压力共同促进了细小等轴晶的生长,Cu元素分布较为均匀,且观察到针状θ’相存在。顶层节点重熔区(RZI)内从边界到中心G/R的减小有利于等轴枝晶向等轴晶转变。Cu元素呈树枝状分布,析出相主要为大尺寸θ相。(3)评价了成形试样的显微硬度和拉伸性能,明确了断裂机制。发现顶层RZI内的平均显微硬度分别为98.6±4.5 HV0.1和97.1±5.9 HV0.1,相比于未重熔区最高提升12.1%,但与其余层相比降低了7.9%;试样屈服强度、抗拉强度和断后伸长率分别为146.5±2.2MPa、290.3±5.9 MPa和13.6±0.8%,析出相的沉淀强化和共晶组织细化是强度提升的关键因素。AZ内的主要断裂模式为沿晶断裂,而LZ以穿晶断裂为主。相比于较少的气孔,沿晶界分布的共晶组织是试样断裂的主要原因。

关键词： 热锻模具   修复药芯焊丝   电弧增材   稀土改性   力学性能  

摘要： 热锻模服役工况恶劣,易发生磨损、开裂和变形而导致报废。因新模制造周期长、造价高,常采用修复再制造延长其服役寿命。热锻模修复焊丝品质直接决定了模具修复的质量,但在热锻模修复药芯焊丝设计方面,国内产品的性能指标及质量稳定性与国外有较大差距,导致热锻模修复后的寿命较低。鉴此,通过理论分析、数值仿真和实验研究,开展热锻模修复焊丝性能与名义成分设计,以及焊丝制备方法与稀土改性研究,提出一种正向的焊丝配方设计方法,研制了一款性能优良的热锻模堆焊修复药芯焊丝,并成功应用于5Cr Ni Mo模具修复实验中。主要研究工作如下:以车用转向节锻模为研究对象,采用DEFORM软件模拟其锻造成形过程,得到相关温度场分布规律,并结合热锻模常规失效形式,建立模具修复焊丝力学性能指标体系。参照市面两种热锻模修复焊丝的综合性能,对目标焊丝硬度、高温强度、冲击韧性、热稳定性进行定量设计。基于钢带法药芯焊丝制备工艺流程,以过渡系数定义式为基础,提出由原料成分、名义成分、过渡系数等参数,精确折算待求药芯配方的理论方法。同时为改善焊丝增材工艺性,开展极端姿态焊接实验,研究造渣剂含量对焊道形貌的影响规律,确定目标焊丝造渣剂含量。采用JMatPro软件,分析合金元素Cr、Cr/Mo、Co含量对CCT曲线及淬回火态第二相影响规律,缩小Cr、Cr/Mo、Co设计范围。基于曲面响应法,以焊丝堆焊金属硬度、600℃抗拉强度、冲击韧性及热稳定性为目标,优化Cr、Cr/Mo、Co元素含量,确定焊丝最优名义成分及相应的基础配方。计算稀土元素[Ce]、[Y]在[Al]、[C]、[Si]保护下的反应吉布斯自由能,分析[Ce]、[Y]在焊接下过渡的可能性。开展稀土改性焊丝堆焊实验,测定稀土[Ce]的过渡系数。进行方差分析,确定稀土硅铁对堆焊金属硬度的影响。探究稀土元素对焊丝冲击韧性及600℃高温抗拉性能的影响规律。采用稀土改性焊丝,开展5CrNiMo模具堆焊修复实验。测试修复层和基体结合区的硬度及冲击韧性,验证修复层和基体结合质量。开展高温摩擦磨损实验,以5CrNiMo模具钢为对照,验证设计焊丝的摩擦磨损性能。课题研究方法及成果为焊丝配方设计提供了依据,具有一定的学术价值和工程指导意义。