关键词：
电弧增材制造
钛合金
交流电辅助
氮气原位强化
组织调控
摘要：
电弧增材制造技术以电弧作为热源,将金属丝作为填充材料,按照既定的路线在金属基板上,采用逐层堆积的方式制造实体零件。经过大约一个世纪的发展,电弧增材制造技术变得成熟和不可或缺,现已应用于各个工业领域。航空航天工业的快速发展扩大了钛合金的应用范围,对性能的要求也越来越复杂,亟需开发能在恶劣环境下正常工作的钛合金构件。为调控增材制造钛合金的组织及改善其性能,本文提出在使用氮气原位强化钛合金构件的同时外接辅助交流电的工艺方法。在电弧增材制造过程中于保护气中混入一定比例的氮气,利用氮气原位生成的氮化物来提高钛合金构件的强度,利用外加交流电及其产生的磁场来对钛合金构件的组织及性能进行优化及调整。在氮气原位强化交流电辅助钛合金电弧增材制造工艺研究过程中,搭建了氮气原位强化交流电辅助钛合金电弧增材制造试验系统,在钛合金基板上首先进行了钛合金单道单层堆垛试验,探索不同工艺参数对堆垛过程的影响,确定了以总电流为90A、送丝速度为160cm/min、堆垛速度为110mm/min、弧长为5mm、丝高为0mm的工艺作为钛合金电弧增材制造的工艺参数,并改变氮气流量、外加交流电大小及频率等三个变量进行正交试验。结果表明:外加交流电会对等离子弧的行为产生明显影响,最明显的是电弧会发生周期性的摆动,并且在焊丝上会产生一个小的辅助电弧,整个焊接电弧是等离子弧与辅助电弧的叠加,在电弧及电磁搅拌的作用下,熔池会向后流动。在不同的试验参数下,单道单层钛合金堆垛层表现出不同的组织形态与性能,得到钛合金试样的显微组织主要为β晶以及片层状的α相,提高氮气流量以及增加外加交流电大小均能起到细化晶粒的作用,改变交流电频率有一定细化晶粒作用,但细化效果不如前两者。钛合金试样的硬度随氮气流量及外加交流电大小的增加而增加,其中氮气流量的强化效果要更明显,外加交流电频率与硬度的相关性较低,对硬度的影响效果较弱。由此可以证明,通过调节工艺参数来实现材料组织与性能的调控是可行的,为后续的试验奠定了基础。之后,开展了钛合金多道单层电弧熔覆试验,主要研究了多道单层钛合金熔覆层的成形、组织与性能,对熔覆层取样并进行电化学腐蚀试验,系统研究了不同氮气流量以及不同外加交流电下的电化学极化曲线及腐蚀形貌,以此来评估熔覆层的耐腐蚀性能。结果表明:熔覆层的主要显微组织为β晶和片层状的α相+β相。对于显微硬度,氮气流量的引入及外加交流电的添加均会提高熔覆层的硬度。通过分析电化学极化曲线、Nyquist图以及阻抗图,以及对等效电路进行拟合后,综合来看,在外加交流电相同时,氮气流量为0.4L/min时,熔覆层具有最好的耐蚀性。当氮气流量相同时,在外加交流电为10A时,熔覆层具有最好的耐蚀性,但在外加电流进一步增加时,钛合金耐蚀能力有所下降,因此外加交流电应在一定范围之内,才能对提高钛合金的耐蚀能力有一定作用。最后,进行了钛合金材料的单道多层堆垛试验,研究了单道多层钛合金堆垛试样的成形特点,并研究了氮气流量及外加交流电对堆垛试样组织与性能的影响,对氮元素及外加交流电的作用机理进行了深入研究。结果表明:氮气流量的引入对堆垛层的表面形貌有一定影响,氮气流量越大,其表层越粗糙;无氮气时钛合金组织主要为粗大的柱状β晶,片层状α相以及针状的马氏体组织,加入氮气后,钛合金的主要组织由柱状晶变为等轴晶,相组成为(α相+β相)的篮网状组织,钛合金晶粒尺寸会随氮气流量的增加及外加交流电的增加而减小。对于试样的硬度,会随着氮气流量及外加交流电的增大而增大。对于试样的压缩性能,氮气流量的增加可以显著增加试样的抗压强度,在氮气流量为1.2L/min时抗压强度可以达到1321MPa,但是,氮元素的引入会降低试样的塑性,外加交流电后,试样的压缩塑性有所提高,在外加交流电为30A时,塑性最好。保护气中混入的氮气,进入电弧中会发生电离,以氮离子的形式进入到熔池中,并与钛结合形成Ti N,正是有Ti N的存在钛合金的硬度及抗压强度才有所提升。外加交流电后会对电弧形态、电场磁场的分布、熔池流动产生影响,增材过程中会将熔池中的液态金属推到熔池后部,影响晶粒的形成。
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