关键词： NiTi形状记忆合金   Workbench模拟   电弧增材   可展开结构   主动变形  

摘要： 形状记忆合金(SMA)是一种具有广阔应用前景的新型智能材料,具有形状记忆效应和超弹性,在航空航天学等领域具有很好的应用前景。文中基于航天器智能结构对可展开性的具体要求——升空前为节省空间对结构进行压缩,减少装载体积,抵达目标地后实现主动展开以备使用,对NiTi形状记忆合金智能结构"折叠-主动变形展开"过程中的关键技术进行了研究。通过电弧增材的方式制备了NiTi合金构件,并通过DSC测试表明,室温下增材件组织是完全奥氏体组织,且存在完整的形状记忆效应相变过程。又基于Workbench软件,采用Auricchio本构,建立了三维NiTi合金几何模型,模拟了热驱动实现构件的主动展开过程,试验验证了模型的有效性。

关键词： 电弧熔丝增材制造   焊锻复合   关节机器人   分层切片  

摘要： 为了降低失效热锻模修复成本、提高修复效率,基于ABB工业关节机器人,开发了电孤熔丝焊锻复合增材再制造算法和装备,并用曲轴热锻模具进行再制造修复,以验证算法和装备的有效性。首先,提出增材制造目标模型的分层切片、截面复合填充算法;随后,提出满足增材再制造工艺所需的关节机器人TCP姿态控制算法,以达到控制焊枪与焊接路径夹角的目的,从而提高焊接成形质量;最后,选用失效曲轴热锻模进行了修复实验。结果表明,相较于人工修复,采用该工艺可大幅节约焊接材料并显著降低修复时间。人工修复和自动修复后的热锻模在相同条件下服役后,自动修复的热锻模表面光滑,微裂纹和塌陷缺陷少,比人工修复的热锻模具有更好的表面形貌,模具服役寿命得到显著提高。

关键词： CMT电弧增材制造   超声冲击   铝合金   微观组织   力学性能  

摘要： 2319铝合金作为一种变形铝合金,因其具有较高的强度重量比以及良好的加工性能而受到广泛应用。尤其是在航空航天领域中,大型结构件的制造对于2319铝合金的需求日益增强。目前,采用传统减材制造技术制备铝合金构件存在一系列问题,例如生产周期长、材料利用率低及制造成本高等。冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)电弧增材制造技术具有生产效率高、热输入低及电弧稳定性强等优点,尤其适用于大型结构件的制造。然而,CMT电弧增材制造构件的应用仍受到组织不均匀、气孔缺陷较多及力学性能不足等问题的制约,因此本研究在铝合金CMT电弧增材制造过程中施加超声冲击,对处于较高温度的沉积层进行实时冲击处理。利用超声能量击碎枝晶以产生更多等轴晶形核质点,同时促进动态再结晶的形成,以实现铝合金组织的原位优化并改善气孔缺陷。主要研究结论如下:(1)沉积态铝合金沿沉积高度方向具有微观组织不均匀性,其中层间区域主要包括细晶区及柱状枝晶区,而层内区域以粗大等轴晶为主。这是由于不同位置在沉积过程中受热影响程度存在差异,进而导致冷却速度不同所造成。(2)超声冲击态铝合金在振幅为60μm、冲击部位温度为460℃时,热激活效应增强,原子活动剧烈,有助于动态再结晶的形成,使得平均晶粒尺寸达到最小值36.63μm,较沉积态减小45.6%。在气孔缺陷方面,当振幅为60μm、冲击部位温度为380℃时,气孔的形核、长大和上浮过程完成度较高,气孔率降至最低值0.24%,较沉积态降低0.52%,此时气孔缺陷改善效果最佳。(3)经超声冲击后,柱状晶区域出现由细晶组成的分隔线和分隔带,表明超声冲击处理导致更多异质形核质点的产生,进而促进晶粒竞争性长大;粗大等轴晶粒的晶界处产生大量再结晶晶粒,表明不连续动态再结晶的发生。(4)经超声冲击后,铝合金平均显微硬度增大,较沉积态最高提升21.91%。在拉伸性能方面,沉积高度方向与扫描方向的抗拉强度分别为263.5 MPa和270.8MPa,较沉积态分别提升9.9%和4.9%;二者延伸率分别为7.1%和13.2%,较沉积态分别降低41.8%和21%。超声冲击态铝合金抗拉强度的提高主要归因于平均晶粒尺寸的减小,进而促进细晶强化。断口形貌分析表明,沿晶脆性断裂是导致沉积高度方向延伸率显著降低的主要原因。

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   钛/铝异种材料   中间层   组织与性能  

摘要： 钛/铝异种材料构件不仅能够充分利用钛合金和铝合金的各自优势,还有助于降低成本和实现轻量化,在航天、航空、交通运输和军事装备等领域具有重要的应用价值和广泛的应用前景。使用电弧增材制造技术制备钛/铝异种材料构件时,会在钛合金与铝合金的界面处形成脆性的Ti-Al金属间化合物反应层,从而恶化钛/铝异种材料构件的力学性能。本文针对Ti6Al4V/Al6.21Cu异种材料CMT-WAAM制备,通过添加Nb中间层以抑制Ti-Al脆性金属间化合物的形成和改善界面残余应力,并以此开展添加Nb中间层钛/铝异种材料构件宏观成形、微观组织和力学性能的相关研究,研究对于实现钛/铝异种材料构件的高质量制备具有重要的理论意义和实际工程价值。首先,通过对TIG焊接后的Nb/Ti6Al4V接头宏观成形、元素分布和剩余纯Nb层厚度进行分析,确定添加Nb中间层的合适TIG焊工艺。其次,研究DC-CMT铝合金熔敷时送丝速度对添加Nb中间层钛/铝单层单道构件成形和微观组织的影响规律;并探究铝合金熔敷层数对构件微观组织的影响规律。最后,在相同送丝速度下,研究不同CMT模式熔敷铝合金对添加Nb中间层钛/铝异种材料构件微观组织与力学性能的影响规律,以及界面反应层的形成机理。研究结果表明,使用焊接电流80 A、钨极尖端距工件距离5 mm和焊接速度4 mm/s的TIG焊接工艺添加Nb中间层,能够获得成形良好且具有足够纯Nb中间层厚度的Nb/Ti6Al4V接头。使用4 m/min送丝速度进行铝合金DC-CMT熔敷,可以制备出成形较好且纯Nb中间层厚度合适的添加Nb中间层钛/铝构件,同时构件Al/Nb界面处形成了AlNb反应层;随着铝合金熔敷层数的增加,靠近Al/Nb界面铝合金熔敷层中的AlNb相由相对聚集的岛状转变为分散的长条状,再转变为更分散的短棒状,并且其数量和尺寸有所减小。在相同送丝速度下,使用DC-CMT、VP-CMT和VP-CMT+P模式熔敷铝合金制备的添加Nb中间层钛/铝异种构件均在钛合金与铝合金之间保留了一定厚度的纯Nb中间层,且在Al/Nb界面分别形成了厚度约为3.7μm、1.4μm和2.2μm的AlNb反应层;试样的平均抗拉强度分别为120.9±9.4 MPa、94.0±4.9 MPa和147.2±11.0 MPa;使用CMT+P模式熔敷铝合金时会将Nb中间层和钛合金熔敷层熔化,从而形成Ti Al、Ti Al、(Nb,Ti)Al和Al Cu Ti等多种金属间化合物,导致构件在界面处直接开裂。

关键词： 5087铝合金   电弧增材制造   CMT   微观组织   宏观形貌   力学性能  

摘要： 铝合金在航空航天,交通运输等高端领域有着广泛的应用。尤其是在对轻量化有很高要求的航空工业中,铝材是首选的结构材料。传统的成型方法如铸造,锻造,机加工等成型铝合金薄壁壳体零件时易产生变形,加工质量难以控制。电弧增材制造是一种以焊接过程中的电弧热为热源,以金属丝材为增材原料,通过软件进行模型分层和路径规划,自下而上层层焊缝累加成型的一种增材方式。相较于传统的减材制造,电弧增材制造具有沉积速率高、生产周期短、熔覆率高、设备成本和生产成本较低等优点,可直接成型形状复杂且具有良好力学性能的铝合金构件,为航空航天和轨道交通等对大型高性能铝合金构件需求量较大的工业提供了很好的解决思路。本文以基于冷金属过渡的电弧增材制造技术,研究了5087铝合金成型构件的尺寸精度和组织性能,并对其增材过程进行工艺优化。首先研究了单层单道成型工艺,选取了层间等待时间、焊接速度和送丝速度三个工艺参数,分析其对试样的宏观形貌和尺寸的影响。结果显示,基板预热可有效改善成型质量。随着基板预热温度的提高,焊缝尺寸先增加后降低,在100℃时达到最大,层宽为2.49mm,层高为2.51mm。基板预热温度为100℃时,单层单道成型焊缝表面平整光滑,尺寸均匀,成型质量良好。随着送丝速度的增加,焊缝宽度和高度增加,随着焊接速度的增加,焊接电流升高,焊缝宽度降低,高度也相应降低。在单层单道成型工艺的基础上对多层单道成型工艺进行研究。选取了层间等待时间、焊接速度和送丝速度三个工艺参数,对其和多层单道试样宏观形貌、沉积层尺寸、微观组织和力学性能等方面的影响进行分析。试样宏观形貌和沉积层尺寸结果显示,随着焊接速度的升高,试样侧表面平整度先上升后下降,沉积层层高和层宽也呈现先增大后减小的趋势,焊接速度为100cm/min时试样侧表面光洁度最高,沉积层层高和层宽达到最大;随着送丝速度的增大,沉积层层高下降,宽度增加,送丝速度为3.5m/min时试样侧表面平整度高,成型质量较好;层间等待时间对多层单道试样成型有显著的影响,主要从层间结合性和焊接热输入量两方面影响沉积层形貌和尺寸。进一步研究了试样微观组织和力学性能,结果显示,试样微观组织为α(Al)相和析出相β(AlMg)相的混合相,其中β相以针叶状和不规则的颗粒状均匀分布在灰白色的α基体上。不同位置试样的β相的含量有明显差异,试样上部和中部β相的含量较高,分别也更均匀。β相的析出量随着焊接速度的增加而减少,在α基体上的分布也变得更加弥散而均匀,随着送丝速度的增加,β相析出逐渐增多,并且由于熔池在高温区停留时间足够长,β相得以充分长大,其尺寸逐渐增大。层间等待时间对β相晶粒尺寸有显著的影响,析出相的尺寸随层间等待时间变长而相应减小。结合试样微观组织对试样的力学性能进行研究,结果显示,多层单道拉伸试样断裂部位呈明显的韧性断裂,水平方向上试样的抗拉强度和延伸率普遍高于垂直方向上的试样,随着焊接速度的增大,水平试样抗拉强度先升高后下降,焊接速度为100cm/min时水平抗拉强度达到最大,为318.8MPa;随着送丝速度的增大,水平试样抗拉强度先增大后减小,送丝速度为3.5m/min时达到最大,为320.0MPa;层间等待时间为30s时,水平方向上的拉伸试样抗拉强度达到最大值318.5MPa,此时垂直方向上试样的断裂延伸率达到22.8%。在多层单道工艺优化的基础上尝试成型实际铝合金薄壁构件,根据工艺优化结果结合构件实际情况,选择了合适的工艺参数,实际成型效果表明,构件轮廓清晰,表面平整光滑,成型效果良好,表明电弧增材制造工艺优化具有合理性,能够有效提高增材成型质量。

关键词： 激光微动扫描   增材制造   等离子弧   不锈钢   熔池振荡  

摘要： 增材制造技术具有逐点熔凝、分层制造的工艺特性,能够实现三维复杂结构零件的快速制造和材料的高性能化。本文提出基于激光微动扫描的电弧增材制造熔池熔凝结构调控工艺研究,分别从实验工艺和调控机理两方面进行研究分析。以304不锈钢板作为基板,不锈钢球形粉末作为熔覆粉末进行了激光微动扫描辅助等离子弧增材制造工艺实验,分析了激光扫描模式、激光功率、激光振幅、激光扫描速度、激光能量输出方式等主要工艺参数对多沉积层成形宏观形貌及微观组织结构的影响。建立了基于三维热源有限元分析模型,进行了数值模拟计算,分别从温度场和流场两个方面分析了激光微动扫描改变熔池温度场和流场状态从而改善微观组织结构的机理。研究结果表明:激光的直线扫描能够稳定电弧沉积过程,提高多沉积层的边缘平整度;优化工艺参数下能够获得侧壁形貌粗糙度和加工余量均最小的沉积层结构;在宏观成形方面,增大激光能量会降低沉积层层高,增大激光扫描振幅会提高沉积层的层宽,增大激光扫描速度将减小沉积层层高。激光束的扫描行为能够增大熔池振荡效应,有效阻断柱状晶枝晶生长,减小晶粒尺寸。并且,随着激光扫描速度的增大,晶粒逐渐细化,且在扫描速度大于1200mm/s时对晶粒生长择优取向有所改善。改变激光能量输出方式条件下,脉冲频率为50k Hz的脉冲激光直线扫描工艺能在连续激光直线扫描的基础上进一步优化晶粒形态。通过力学性能试验发现,连续激光直线扫描和采用脉冲激光直线扫描均能产生细晶强化效果,横向和纵向两个方向的抗拉强度和延伸率均得到提高,且脉冲激光直线扫描综合力学性能最佳。

关键词： 电弧增材制造   铝合金   微合金化   微观组织   力学性能  

摘要： 7xxx合金因其优良性能被广泛应用于航空器,高速机车等领域。但是传统的加工方法无法满足当下高效,高利用率的生产要求。近年来新兴的增材制造方法解决了该材料生产效率低和材料利用率低的问题,但是该方法制备的合金仍然存在组织缺陷较多,性能较低且存在各向异性无法满足要求等问题。本文在电弧增材制造7xxx合金的基础上,采用微合金化的思路,通过双丝GTA增材技术引入合金化元素Sc制备含Sc的7xxx合金,并揭示其沉积态的组织性能特点,阐明其热处理后的组织性能变化规律,制备出性能良好的含Sc 7xxx铝合金。通过工艺试验获得了双丝GTA电弧增材工艺区间:丝材选用含Sc的Al6Mg和7055铝合金,其总送丝速度为1600mm/min,单丝送进速度:600mm/min-1000mm/min;沉积电流:100A-115A沉积速度100mm/min;变极性频率100Hz。在该区间内可稳定高效地制备成形良好、组织均匀致密的Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金。通过改变送丝速度可以实现不同成分的Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金制备。经组织表征和力学性能测试得到的微观组织以及力学性能数据均验证了该工艺区间的稳定性。制备含Sc 7xxx铝合金沉积态试样,并对于沉积态组织性能特点进行了分析,明确了双丝送进相较单丝送进的工艺优势和组织性能优势。试验结合计算得到了三种力学性能较好的含Sc 7xxx铝合金成分,并对其进行制备。利用多种分析表征方法对比分析了不同成分含Sc 7xxx合金沉积态试样之间的微观组织与力学性能差异。结果表明:两种丝材送丝速度比为1:1时,晶粒细化效果最为显著;在力学性能方面,两种丝材送丝速度比为5:3时,抗拉强度最佳,达到了330MPa,是电弧增材制备常规7055沉积态铝合金的143%。最后进行了热处理工艺研究,分析了在不同固溶条件下,组织内部粗大的第二相溶解情况以及组织中缺陷的变化情况,提出了高温短时的固溶策略;分析了不同时效条件的第二相的析出情况和硬度变化趋势,提出了低温长时的时效策略。采用470℃/3h+120℃/21h的热处理制度,分析了热处理过程中的组织演变规律和特点,明确了两种纳米级别强化相的相互作用关系。热处理后拉伸性能大幅度提升,实现了各向同性,平均拉伸性能达到抗拉强度450MPa,屈服强度达到400MPa,延伸率为6%。

关键词： 复合制造   电弧增材制造   铣削加工   稳定域   表面残余应力   拉伸性能  

摘要： 和激光增材制造相比,电弧熔丝增材制造因为采用具有高导电性等离子体特性的弧光加热熔化材料,沉积效率更高,更加适用于大型构件制造,是当前研究的热点之一,但是因为电弧等离子弧柱加热面积大,能量相对分散,存在表面粗糙、二次机加工量大、复杂结构制造困难的问题。电弧增材制造和机械铣削减材的复合制造（HWMM）能够通过两者的交替加工,有效解决上述问题。其次,机器人灵活度高、空间扩展性好,能够更好地发挥HWMM的技术优势。但在本文开展工作之前,HWMM研究基本以数控机床为主,未发现有基于机器人的公开报道。为此,本文以Al5Si铝合金和AZ31B镁合金为对象,开展了HWMM研究,探索了电弧增材制造、铣削减材两种工艺的相互作用,及其对薄壁墙形貌特征、表面残余应力和组织性能的影响规律。主要研究结果如下:研究了起弧面铣削加工对Al5Si HWMM试样形貌特征的影响规律,发现当铣削厚度为0.4-1.2 mm时,HWMM试样侧壁表面成形精度优于电弧增材制造,表面粗糙度（Ra）和加工余量最大可分别减小22.9%和31.6%。研究发现起弧面加工与否对电弧形态没有影响,因此,侧壁表面成形精度和电弧弧光特性没有直接关联,主要决定于熔流特征,其提升机理为:当起弧面被铣削为平面以后,液态熔池流动由沿弧面快速下淌转变为向两侧铺展后回流,减缓了液态金属在试样轮廓边缘的波动。设计了能够避免液态金属对已铣削加工面破坏,避免重复加工的预留层结构,得到了铣削预留量和侧壁铣削参数的优化范围。在优化范围内,薄壁墙Ra最小为3.5±1.1μm,接近半光面8级水平。针对HWMM这种动态结构铣削加工极易出现颤振现象,加工过程不稳定的问题,建立了HWMM有限元模态参数仿真模型,发现随着沉积总高度的增加,试样固有频率值下降,两者呈相对生长模型关系。在此基础上,通过“刚性刀具-柔性工件”铣削系统的动力学模型绘制了能够快速预测铣削工艺参数优化窗口的稳定域动态叶瓣图,并通过随机选取的参数证明了预测结果和实验数据吻合良好。其次,基于提升固有频率拓宽工艺窗口的原理探讨了支撑结构对固有频率的影响规律,并提出了一套基于稳定域仿真和支撑结构辅助的HWMM铣削方案。该方案能够快速确定并拓宽铣削加工的优化工艺窗口,提高成形精度和加工效率。探索了铣削加工对Al5Si铝合金HWMM试样表面残余应力的影响规律,发现侧面铣削加工对HWMM试样底部表面残余应力没有影响,但是对中部和顶部表面残余应力有显著影响,两者随着铣削宽度（ae）的增加先减小后增大,最小分别可达1MPa和22 MPa（ae为0.4 mm）,比电弧增材制造降低93%和增加44%。铣削加工有助于减少试样表面残余应力梯度。在本文条件下（ae为0.6 mm）,沿进给方向的表面残余应力梯度可减小到0.17 MPa/mm,比电弧增材制造减少了9.8%。根据增材制造纵向应力场瞬态演变过程和切削力诱发残余应力生成机理发现HWMM表面残余应力降低的机制在于:铣刀与铣削面之间的挤光效应产生的铣削压应力抵消了增材制造的初始残余拉应力,并形成新的平衡状态。研究发现铣削加工对Al5Si铝合金HWMM试样的组织特征和拉伸性能没有显著影响,但是缩短了熔合线间距（垂直方向）,导致试样具有更多的熔合线,从而增加了易断裂区域,降低了垂直方向试样的拉伸性能,增加了抗拉强度和延伸率各向异性。当铣削厚度为0.8-1.6 mm时,HWMM抗拉强度各向异性从电弧增材制造的1.0%增大到8.3%,延伸率各向异性由7.7%增大到23.1%。提出并开展了AZ31B镁合金HWMM铣削稳定性研究,所建立的稳定域仿真模型和实验结果吻合良好,进一步证明了本文所提出的稳定域动态模型具有良好的可移植性和通用性,因此相关理论和模型可拓展至激光增减材复合制造。通过对比分析发现,镁合金HWMM试样在稳定域内进行铣削时的振动响应幅值是铝合金的43.2%,具有更好的铣削特性。其主要原因在于镁合金阻尼减振性能更好,减震系数更大,能够在铣削过程中更好地吸收振动冲击,抑制不稳定非线性振动。

关键词： 电弧增材制造   CMT技术   2Cr13马氏体不锈钢   组织分布   性能分析  

摘要： 冷金属过渡（CMT）电弧增材制造技术不仅具有电弧增材生产高效率,低成本,位置不受限制,易于生产大型复杂零部件等特点,而且相比于其他电弧热源,CMT技术热输入低,使得成形更加美观、精准度更高,更有利于连续进行增材制造。2Cr13马氏体不锈钢作为一种重要的工程材料,以其优异的力学性能以及耐弱腐蚀环境能力广泛应用于能源、航空航天、动力等领域。因此,本文基于CMT电弧增材制造技术,结合机器人系统,进行2Cr13马氏体不锈钢电弧增材制造试验,研究了增材工艺参数和增材路径对多层成形件的微观组织、元素成分、显微硬度和拉伸性能的影响。首先,进行单层单道沉积试验,并结合响应曲面法建立数学模型,研究工艺参数对单层单道沉积层的形貌以及尺寸的影响规律。试验结果表明:其他参数不变,单道沉积尺寸与基板温度、送丝速度正相关,与扫描速度呈负相关。保护气流量和导电嘴到基板距离对成形尺寸影响不明显。利用实际沉尺寸和质量实际结果,结合响应曲面法中的满意度函数进行优化,得出单道单层的最优工艺参数,在焊丝直径为1.2mm,保护气气体成分为97.5%Ar+2.5%CO2时,取近似值:为基板温度为150℃,送丝速度为7.5 m/min,扫描速度为5 mm/s,保护气气体流量为20 L/min,导电嘴到基板距离为15mm。其次,进行单道多层增材制造试验,对单道多层成形件的组织分布、显微硬度和拉伸性能进行研究,探讨了层间温度、送丝速度和扫描速度与成形件组织分布和力学性能的关系。单道多层成形件组织由绝大部分的无方向性的板条马氏体和少量铁素体组成,碳化物沿马氏体板条界析出。中部和底部经历了反复的热循环过程,而顶部因为没有下一层的影响绝大部分为极为细长的板条马氏体。在反复热作用下,碳原子的扩散,亚稳马氏体部分分解为稳定的铁素体,晶界处形成碳化物（Fe,Cr）23C6。送丝速度和扫描速度影响了沉积件的热输入,同时也影响了沉积过程的稳定性,热输入的增大使得成形件表面成形质量下降,试样内部的晶粒尺寸增大,显微硬度和拉伸性能降低。层间温度影响了成形件的冷却过程,影响了晶粒大小和碳化物析出,从而导致抗拉强度和延伸率随层间温度的增大而降低。根据工艺参数对成形件成形质量、微观组织和力学性能的影响,同时考虑较高的增材效率,得出最佳的2Cr13电弧增材制造工艺参数为送丝速度为7.5 m/min,扫描速度为5 mm/s,层间温度为150℃。最后,研究了两种增材路径（十字交叉式、首尾相连式）对多层多道成形件的组织分布、元素分布、物相组成和力学性能的影响。结果发现:两种增材路径下多层多道成形件中部的微观组织以板条状的回火马氏体为主,并有少量的铁素体,两者之间的显微组织没有明显的差异。有很少量的碳化物沿晶界析出,析出位置存在两种,一是沿原奥氏体晶界析出,二是沿铁素体晶界析出。根据金相图中马氏体和铁素体的占比可以将同一层沿高度方向从上到下分成重熔区、过热区和回火区,不同受热情况造成三个区域的晶粒大小产生差别。合金成分分布总体上来说分布比较均匀,两种路径的成形件之间成分比例没有明显差异。两种增材路径下多层多道成形件在显微硬度和拉伸性能上都具有各向异性的特征。但十字交叉式的增材路径的多层多道成形件相比于在首尾相连式增材路径在显微硬度和拉伸性能方面各个方向上更加平均,各向异性现象不显著。因此十字交叉式增材路径的多层多道成形件为最优路径。