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： 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： 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： 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： 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。

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： 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： 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： 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。