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。

关键词： 丝粉结合   电弧增材制造   WC   铁基复合材料   耐磨性能  

摘要： 颗粒增强铁基复合材料是结合了韧性铁基体和硬质相颗粒的混合物,具有高硬度、高耐磨性等优点,适合应用于易磨损的工作场合。然而,由于其高硬度和易开裂特性,使得零件的切削加工面临很大的挑战。电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等特点,且其成形的零件仅需要少量的后处理,十分适合中大型铁基复合材料的制造。 本文利用重力送粉辅助电弧增材制造工艺制备了WC增强的铁基复合材料零件,即在低碳钢焊丝的GMAW电弧增材堆积过程中辅以重力输送WC粉末至熔池。研究了不同WC粉末粒径和粉末含量对薄壁件微观组织的影响,表征了试样中WC的实际含量和分布情况,分析了硬度、拉伸性能、耐磨性能的提升机理,主要结论概括如下: （1）不同WC粉末含量和粉末粒径的薄壁件的显微组织相似,中部区域、下部区域和顶部区域下半部分的基体组织均为贝氏体,顶部区域上半部分基体组织为奥氏体,且晶粒尺寸随着WC粉末含量的增加而减小。高WC粉末含量和小粉末粒径会增加增加WC颗粒的溶解,从而扩大顶部区域的范围。 （2）小粒径试样易在相邻两层交界处出现WC颗粒的聚集现象,而在大粒径试样中并没有表现出明显的聚集现象。试样中WC的颗粒形态为带有拖尾的球形颗粒,其原因为WC颗粒在沉降过程中与铁基体发生了共晶反应。 （3）WC和Fe基体共晶产物（Fe,W）6C存在多种形态（鱼骨状、网状和环状）,其中鱼骨状和环状的形态主要分布在WC颗粒的拖尾中;网状的形态主要在远离WC颗粒的基体中,下部和中部区域的网状组织较薄,顶部区域下半部分中的网状组织较厚,顶部区域上半部分中的网状组织较密。 （4）材料的力学性能得到了显著的提升。小粒径的薄壁件的平均硬度和强度随WC粉末含量和粉末粒径增加而增加,而大粒径的薄壁件则先上升后下降,大粒径的薄壁件表现出的异常规律是由于其更易产生裂纹。材料最高的硬度和强度分别为516 HV0.2和822.8 Mpa,分别为未添加WC样件的3.3倍和1.8倍。当WC粉末含量分别在0、20wt.%、40 wt.%、60 wt.%时,试样的断裂形式为塑性断裂、准解理断裂、脆性断裂、脆性断裂。 （5）材料的耐磨性能随着WC粉末含量和粉末平均粒径增加而提升,其中最优摩擦性能的试样磨损性能提升了47%。当WC粉末含量分别在0、20 wt.%、40 wt.%、60 wt.%时,材料的磨损机制分别对应为严重的塑性变形+粘着磨损、粘着磨损、粘着磨损、磨粒磨损+轻微的粘着磨损。复合材料性能的提升主要可归结为第二相粒子强化、和沉淀强化、细晶强化和固溶强化。

关键词： 电弧增材制造   高强Al-Cu合金   T6热处理   微观组织   机械性能  

摘要： 电弧增材制造技术（WAAM）是以电弧作为热源,沿着设计好的路径逐层熔化并沉积填充丝材实现成形件的制造。WAAM技术成形效率高,适用于航空航天领域所需求的中、大型尺寸,低复杂度的金属结构件的增材制造。 2xxx系铝合金由于其高的比强度、比刚度、良好的高、低温性能和加工性能,被广泛应用于航空航天领域。然而,现有丝材WAAM的Al-Cu合金由于存在不均匀的微观组织、热裂纹倾向严重以及性能的各向异性等问题,限制了其在航空航天领域的应用。 本文使用一种自制的Ti、Zr微合金化的Al-Cu合金丝材,通过GMAW-WAAM技术制造了一种高强度的Al-Cu-Mn合金成形件,并采用T6热处理工艺提高其力学性能,研究了堆积态和T6热处理态WAAM的Al-Cu-Mn合金的微观组织和机械性能。结果表明,WAAM的Al-Cu-Mn堆积态合金的微观组织主要由晶粒尺寸大小不一的等轴晶组成,添加Ti和Zr元素与Al反应形成的Al3Ti、Al3Zr和Al3（Ti,Zr）粒子,作为α-Al的非均质形核核心,促进了等轴晶的形成。堆积态合金的屈服强度（YS）、极限抗拉强度（UTS）和延伸率分别达到220 MPa、340 MPa和13%以上。拉伸性能显示各向同性。T6热处理后,WAAM的Al-Cu-Mn合金的YS、UTS和延伸率分别达到380 MPa、470 MPa和8%以上。 采用双丝CMT-WAAM技术,匹配ER2319和ER5183丝材,制备了一种无裂纹的Al-Cu-Mg合金成形件。双丝WAAM较大的热输入导致Al-Cu-Mg堆积态合金的微观组织主要由粗大的等轴晶和短棒状柱状晶组成。Al-Cu-Mg堆积态合金的YS、UTS和伸长率在水平方向上分别达到210 MPa、290 MPa和3%以上;在垂直方向上分别达到195MPa、235 MPa和1.8%以上。T6热处理后,双丝WAAM的Al-Cu-Mg合金的YS、UTS和伸长率在水平方向上分别达到380 MPa、440 MPa和2.2%以上;在垂直方向上分别达到355 MPa、410 MPa和1.5%以上。合金的性能存在明显的各向异性。

关键词： 铝铜合金   电弧增材制造   应力演化   受热服役   数值模拟  

摘要： 耐热高强铝合金大型薄壁复杂结构在飞行器中被广泛应用,采用机械加工手段制造时存在材料利用率低和制造周期长等问题。面对日新月异的飞行器复杂铝合金结构,使用电弧增材制造技术无需制作模具,具有成本低、成形效率高等优点。目前针对电弧增材结构的研究多集中于增材制造过程的工艺开发阶段,国内外开展了大量铝合金电弧增材结构组织性能的相关研究,但关于铝合金增材件服役行为的研究仍较为匮乏。增材构件在制造和服役时经历了复杂的热过程,导致其内部初始残余应力场随受热服役过程不断演化,进而影响其性能和后续服役。本文基于实验与仿真相结合的研究方法,针对2319铝合金电弧增材制造和受热服役过程中的温度场、应力场及组织性能展开研究,探究了从增材制造到受热服役过程中铝合金构件的应力演化行为,为不同初始残余应力下的增材构件受热服役应力场研究提供了理论依据。 首先,采用冷金属过渡技术在2A12铝合金基板上开展2319铝合金电弧增材堆积实验,对增材构件的残余应力、宏观形貌、组织元素及力学性能进行了研究。结果表明,增材工艺参数对成形件的宏观形貌和力学性能具有较大影响,增材构件中应力主要集中于基板与沉积层的过渡区域。 其次,针对飞行器实际飞行过程中的服役温度,开展铝合金增材结构受热服役模拟实验,并将服役前后的应力、组织和力学性能进行对比研究。结果表明,受热服役后增材构件残余应力呈下降趋势。单次受热服役后晶内析出相增多,晶界共晶组织内孔隙数逐渐增加并均匀化。受热服役循环次数的增加导致拉伸断口韧窝底部析出相颗粒减少,从而降低拉伸性能。 随后,基于有限元法和生死单元法构建了铝合金冷金属过渡电弧增材结构受热服役过程热-机耦合模型,将增材制造过程的应力场作为初始条件加载至受热服役有限元模型中进行定量求解。重点研究了多次复杂的热循环对增材构件的影响和由此带来的应力演变行为,以及增材构件在受热服役后不同区域内的应力变化。 最后,研究了不同增材工艺参数所引起的初始残余应力场对受热服役过程中增材构件内部应力变化行为的影响。综合研究了在不同送丝速度、扫描速度和层间冷却时间下,增材结构随着受热服役循环次数的增加其应力场的变化行为。研究结果表明,较大的扫描速度和较长的层间冷却时间能显著降低增材结构最大应力值并改变受热服役时的应力场分布。

关键词： 2219铝合金   电弧增材-形变热处理   工艺参数   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造技术具有高效率、低成本、高柔性等优点,在大型复杂金属零件加工制造中具有明显优势,在航空航天领域中应用广泛。由于电弧增材工艺是层层沉积,在沉积层中容易形成粗大的枝晶,从而影响电弧增材构件的力学性能和各向异性,制约了其在工业上的应用。针对这一问题,本论文以2219铝合金为研究对象,结合轧制工艺细化晶粒的优点,将轧制工艺引入传统热处理中,研究了一种新型的电弧增材-形变热处理工艺优化工艺,该技术可以细化电弧增材的微观组织,提升其力学性能,主要研究工作如下: （1）通过正交试验对不同参数下电弧增材宏观形貌的尺寸规律进行了系统研究与规律总结。总结出各工艺参数对沉积层形貌的影响程度图,其中焊接速度对第一层层高H1、焊滴间距d、第二层层宽W2影响程度最大;送丝速度对沉积层第二层层高H2、沉积层第一层层宽W1、第一层宽高比W1/H1、W2/H2影响程度最大,为单层多道、多层单道、多层多道等堆焊积累了实验数据。对不同参数下试样的力学性能进行了研究与总结。归纳出各工艺参数对沉积层形貌的影响程度图,其中焊接速度、送丝速度、保护气流量对增材试样最大应力的影响程度依次减小,为后续的热处理强化提供对照与依据。通过对机器人电弧增材系统和切片软件的调试与使用,完成了异形零件的电弧增材制造。在焊接速度0.6m/min、送丝速度6m/min,保护气流量20L/min的条件下,电弧增材过程沉积层形貌轨迹清晰,电弧增材制造成形的异形零件的沉积层层宽与STL文件的形貌保持了良好的一致性,说明了机器人与电弧增材系统相结合可以实现异形零件的生产制造。 （2）研究了传统热处理后电弧增材制造成形件的微观组织与力学性能变化规律。传统热处理后合金中的柱状枝晶有向等轴晶转变的趋势,Cu Al2相的含量有所减少。传统热处理后试样基体的主峰择优取向由（200）变为（111）。传统热处理后（AD-T6）构件在显微硬度、屈服强度、拉伸强度、延伸率增幅分别提升了28%、143%、60%、22%,达到标准锻件-T6水平。 （3）研究了不同轧制量热处理前后电弧增材制造成形件的微观组织与力学性能变化规律。等轴晶的平均晶粒尺寸随轧制量的增大而减小。拉伸强度随轧制变形量的增大而减小。轧制变形量使传统热处理基体Al的织构的主峰方向由（111）变为（220）,主峰衍射角由38.66°变为65.22°,晶胞间距由2.33×10-10m变为1.43×10-10m。随着轧制变形量的增大,Cu Al2的晶胞尺寸由1.92×10-10m压缩到1.91×10-10m。

关键词： 电弧熔丝增材制造   焊丝   熔滴过渡   多物理场   数值模拟  

摘要： 电弧熔丝增材制造技术以其设备成本低、成形效率高等优点,在大规模、大尺寸的工业制造中具有巨大的潜力。然而,目前的电弧熔丝增材制造工艺存在一些普遍问题,比如成形零件尺寸难以控制、机械性能低等缺陷,阻碍了该工艺在高精尖制造领域的应用。在电弧熔丝增材制造过程中,涉及多个复杂的物理过程:焊丝在电弧中受热熔化形成熔滴,熔滴下落、变形、与基板碰撞、最终凝固成形。该过程涉及温度场、流场、电场与磁场之间的相互耦合,数值模拟研究是良好的加深对于该过程传热传质基础理论认识的手段,对于全面系统地揭示其物理机理及成形规律有重要意义。等离子电弧作为热源,是焊丝熔化与熔滴过渡行为的基础,本文首先建立了三维等离子弧多物理场模型,通过求解质量守恒、能量守恒、动量守恒和电磁场方程组,详细分析了等离子弧的电-磁-热-力多物理场特性。然后开展了电弧温度和压力测量实验,并将模拟结果与实验结果进行对比,验证了电弧模型的正确性。建立了三维电弧-焊丝一体化模型,研究了焊丝在电弧中熔化的物理过程,总结了该过程中焊丝热流密度分布规律和熔合线变化趋势,并分析了该一体化模型的温度场、流场、电磁场等多物理场特征,揭示焊丝熔化的物理机理,为更好的把握制造过程、优化工艺参数提供了基础。在电弧-焊丝一体化模型的基础上,针对增材制造过程工艺参数进行探究,通过一系列数值模拟研究了送丝角度和焊丝材料对焊丝熔化过程传热规律的影响。研究发现送丝角度增大,有利于焊丝更快速熔化,但同时焊丝起始熔化的位置距离底端更远;对2219铝合金、Ti-6Al-4V和低碳钢三种焊丝材料进行了探究,发现在相同直径的焊丝中,金属密度和比热容的乘积是决定焊丝熔化快慢的关键参数,比热容和密度的乘积越大,则熔化越慢。最后建立熔滴过渡行为的数学模型。首先分析了单熔滴下落的表面形貌和温度场动态变化,然后模拟了多熔滴堆积成形过程,分析了其表面形貌及温度场特征,并进一步探究了熔滴下落高度对于成形过程的影响。研究发现较低的下落高度会使成形结构高度显著增加,但是成形尺寸均匀性降低。在温度场分析中发现随着熔滴的下落,成形件会经历周期性的热循环。

关键词： 电弧增减材复合制造   三维轮廓测量   坐标系标定   扫描路径规划   点云处理  

摘要： 电弧增减材复合制造技术是将电弧增材与传统减材相结合的新兴制造手段,因其材料利用率更高、制造周期更短、制造成本更低,被认为在大型复杂金属零件的制造领域有很大发展潜力。然而电弧增材制造过程中的层积效应和复杂热效应导致零件的形貌尺寸精度较低,使得后续零件加工可能失效,限制了该技术的进一步发展。如果能在增材制造过程中获取零件的三维形貌并评价其误差,则可以为后续增减材复合加工的参数调整提供有力参考。针对现有的研究问题,本文提出在复合制造过程中引入单线激光三维轮廓测量技术,通过一系列手段精确获取增材制件尺寸形貌并对其进行误差评价,以指导后续电弧增材和减材加工的参数规划。其中,对制造系统组件标定、扫描路径规划、点云处理与误差评价等关键技术进行了研究。1.围绕零件形貌的测量与评价,本文提出了基于系统组件精确标定的模型比对误差计算方法。提出了基于固定点的圆盘类末端工具坐标系位姿标定方法,并通过高精度拟合方式对标定误差进行评判。此外基于锯齿形标定块,提出了的单线激光扫描仪外参的快速调整和标定方法。2.围绕复杂零件三维轮廓的完整测量,本文提出了基于约束信息的单线激光扫描路径规划方法。通过分析约束条件,实验获取电弧增材表面的合理扫描参数。方法以无需分割的CAD模型作为输入,迭代运用包括最大连通区域求解、最小外接矩形求解、等重叠路径规划等多种算法生成单条扫描路径。最后,经有效路径优化、碰撞检测、最近点搜索等算法生成完整的三维扫描路径。3.围绕线扫描点云的高效处理,本文提出了针对其重复轮廓的识别去除方法,并改进了点云漏洞识别与填充算法,并结合其他点云预处理方式对初始点云有效处理用于误差计算。此外,开发了电弧增减材复合制造增材制件三维轮廓测量与评价软件系统,实现包括:数据I/O、点云获取、路径规划、点云处理、三维显示等一系列功能。最终,结合仿真实验验证了全文方法的有效性。