关键词： 2319Al   TiB2颗粒   WAAM   组织演变   强化机理  

摘要： 铝-铜合金具有高的比强度、比模量和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀等优异性能,是高科技产业发展的重要战略物资。铝合金电弧增材技术能够有效应对飞行器大型化、复杂化,并满足零部件不断减少而取而代之的整体化需求。然而增材过程中的气孔与组织不均匀等问题的存在限制增材构件的服役性能。在金属凝固过程引入细小的陶瓷颗粒,可以细化晶粒,提高强硬度,改善塑韧性,故本课题选用高熔点的TiB颗粒并采用表面涂覆的方法在2319铝合金增材过程中引入TiB,并通过对增材成形,组织以及性能的研究,旨在获得增材组织均匀化以及强塑性协同提高的增材构件。本文首先研究了进行工艺试验以及正交试验对颗粒添加后工艺参数的探究,研究表明对接头成形影响程度的关系为:焊接电流>焊接速度>送丝速度;以影响程度最大的参数-焊接电流为单一变量进行单道多层增材,并对成形、组织、性能及气孔率的探究,确定最佳的颗粒添加电弧增材的工艺参数。对添加微米/亚微米TiB颗粒后的增材试样进行微观组织观察及力学性能测试。结果表明,熔池中的TiB颗粒可以显著细化晶粒、抑制Cu元素在晶界偏析,削弱铝基体和θ-AlCu组织织构特性,促进亚微米级θ′相以及纳米级点状θ′′相的析出。同时添加TiB颗粒能够显著提升增材构件的强度,颗粒添加后断口表面存在的大量气孔明显减少,呈条带状分布在层间位置,韧窝数量明显增加。相对而言,亚微米颗粒的晶粒细化、抑制偏析以及性能提升的效果相对较差。最后探究了TiB颗粒对沉积层凝固过程的影响,熔池中TiB颗粒可以降低液态金属的凝固时间并被固-液界面推至晶界位置,TiB颗粒能够作为有效的异质形核质点促进形核,获得较小的晶粒生长的过冷度并阻碍晶界迁移,细化晶粒;降低θ′第二相析出形核激活能,减小形核能垒,并且能够引入位错,产生晶格畸变管道使得溶质原子快速扩散,促进θ′第二相的析出与长大。最后结合现有的颗粒添加强化理论,阐明了2319铝合金电弧增材的强化机理,其中强化效果最佳的为沉淀强化机制。

关键词： 整体框梁   工装   电弧增材制造   变形   装配  

摘要： 近年来,航空航天领域发展迅速,技术更迭频繁。飞机框梁作为飞机上重要的主承力结构件,其生产制造过程也发生了重大的变化,整体增材制造技术在飞机框梁等大型结构件上应用广泛。本文主要以某型飞机整体框梁作为研究对象,对于其增材连接工装进行了设计,并制定了详细的装配工艺流程以及增材连接工艺策略。本文对某型飞机整体框梁增材连接工装的设计要求进行了分析,并根据整体框梁零件的结构特点,设计了用于框梁增材连接的工装。工装主要分为工装平台、框梁固定装置、框梁夹板装置以及控制变形装置四个部分。工装的主要作用是为了控制框梁增材连接过程中框梁受到应力作用产生的变形,此外还能方便在框梁连接过程中移动框梁。框梁的连接过程采用电弧增材制造进行连接。为了验证连接过程中连接工艺对于焊接变形的影响,采用ABAQUS软件对不同电流及焊接速度下的温度场、应力场、变形量情况进行分析,确定了最优的连接工艺为连接电压16V、连接电流80A、连接速度8mm/s。此外,本文还从装配精度和位置精度两方面进行分析,确保了框梁连接工装装配过程中的精度符合设计要求。装配工艺流程的合理性是框梁装配工艺制定过程中的重要因素。为了确保装配连接过程中不会存在尺寸错误以及碰撞干涉现象,本文通过DELMIA软件对装配工艺流程进行仿真,通过仿真结果的分析,确定了装配工艺的合理性。

关键词： 激光诱导电弧   增材制造   热处理   微观组织   力学性能  

摘要： 2319铝合金在绿色制造及轻量化制造中作用非常重要,在汽车制造,航空航天,机械制造等领域应用十分广泛。传统铝合金结构件制造方式主要为铸造和锻造,存在材料浪费多,生产周期长等问题。采用增材制造方式通过由上而下逐层堆积成型结构件具有材料利用率高,灵活度高等特点。MIG电弧增材制造相较于高能束增材制造沉积效率更高,成本更低,但也存在沉积试样尺寸不稳定,组织过于粗大等问题。为了提高MIG电弧增材制造成型精度,本文通过加入小功率激光对MIG电弧进行诱导,制备出表面质量较好的2319铝合金沉积试样。通过对比加入激光前后沉积试样宏观形貌,微观组织,元素分布和力学性能差异,研究加入激光后试样组织演变规律及激光对MIG电弧的诱导机制。本文也对2319铝合金沉积路径及后热处理对沉积试样组织和力学性能影响进行了分析研究。主要研究内容和结论如下:（1）探究出合适的工艺参数,包括堆积电流,堆积速度,激光功率等。制备出成型质量较好的单MIG电弧沉积试样及不同路径激光-MIG电弧复合沉积试样。为后续组织和力学性能检测提供试样。（2）对比研究了加入激光前后2319铝合金试样微观组织演变规律,探究激光对沉积试样微观组织（晶粒形态及大小,共晶组织分布）、元素分布、相组成及力学性能的影响,并探究了激光对MIG电弧的影响机制。微观组织方面,加入激光后,晶粒尺寸明显减小,晶界处共晶组织由连续块状分布转变为细小条状分布,且Cu元素分布更加均匀。力学性能方面,两种工艺沉积试样均为微孔聚集型断裂,加入激光后,抗拉强度得到提高,沿扫描方向平均抗拉强度和断后伸长率分别为271.4MPa,11.6%,分别比单MIG堆积试样提高了12.9%,18.3%。平均显微硬度达到97.0HV0.5,提高了4.98%。（3）对比研究沉积路径对2319铝合金试样微观组织和力学性能的影响。插补堆积及十字交叉两种路径试样晶粒形貌及尺寸变化不大,生长方向发生变化,共晶组织分布变化较大。插补堆积试样平均抗拉强度及断后伸长率高于十字交叉试样。（4）制定了热处理工艺并进行了热处理试验,研究了热处理前后2319铝合金试样组织性能变化,探究了热处理影响机制。热处理后,晶界处共晶组织溶解,由连续条状分布转变为短棒状和点状分布且Cu元素偏析现象得到改善。平均抗拉强度显著提高,接近铸态+时效强度,断后伸长率降低,塑性下降。通过计算发现,强度提高主要原因为过饱和固溶体溶解,强化相析出,固溶强化和析出强化为强度提高主要强化方式。

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。

关键词： 电弧熔丝增材制造   纳米变质剂   不锈钢   微观组织   力学性能  

摘要： 电弧熔丝增材制造技术(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)具有柔性制造、高材料利用率、高成形效率、环境友好及成形件尺寸受限小等优点,在大型金属构件的制造上具有十分巨大的潜在应用价值。但是,当前WAAM成形件仍然存在晶粒组织粗大和柱状晶外延生长等问题,导致了其力学各向异性以及强度塑性等力学性能下降,这些都限制了其在实际工程中的应用。本文利用具有良好焊接性能、耐腐蚀性能和机械加工性能的304不锈钢为研究对象,首先搭建了一套WAAM设备并进行了成形工艺研究,然后采用添加纳米尺寸的变质剂(Si C、WC)的方法来实现细化WAAM-304不锈钢构件的组织,提高其强度、硬度等力学性能,降低其力学性能各向异性。本文的研究实现了WAAM构件更优异的力学性能,同时为其他增材制造金属的性能改进提供研究思路和参考意义。本文的主要研究内容和结果具体如下:(1)首先进行WAAM平台设备的搭建,其集合了硬件设计和软件开发两部分,主要包括基于熔化级气体保护焊(GMAW)的焊接系统、三轴运动平台及控制系统三个组成部分。通过控制系统,使用软件开发的人机互动界面实现对龙门式运动平台的位移、速度、加速度等控制。焊枪使用铝合金扣固定在龙门框架上,通过驱动三轴运动来实现焊枪运动路径进而完成构件的快速成形。在完成WAAM实验平台搭建后进行打印测试,成功打印实体构件(薄壁墙构件、螺旋薄壁件及多道多层构件),并通过构件剖面照可发现其无明显气孔,成形良好。(2)在搭建的WAAM平台上开展了304不锈钢成形工艺实验,研究工艺参数对单道单层和单道多层堆积层形貌和尺寸的影响规律。结果表明,沉积单道单层时,当焊接电流固定,行走速度过快(或行走速度固定,焊接电流过小)时,堆积层的沉积质量显著降低,焊道不连续;当焊接电流固定,行走速度过慢(或行走速度固定,焊接电流过大)时,熔融金属向两侧溢出,焊道过宽。在单道多层实验中,通过对成形工艺及形貌分析,得出304不锈钢单道多层的最优成形工艺参数范围,为引入变质剂的成形工艺实验奠定了基础。(3)通过在WAAM过程中涂覆硬质陶瓷醇基溶液的方法分别研究了纳米尺寸(颗粒直径≤1μm)变质剂Si C和WC添加对WAAM-304不锈钢的微观组织和力学性能的影响。结果表明,添加变质剂的构件中沿纵向方向(LD)定向生长的枝晶组织被有效地转化为细晶结构,并且随着薄壁墙构件中Si C和WC含量的增加,试样中存在更均匀的组织和细小的晶粒,硬度、屈服强度和极限强度均有明显提高。添加Si C的构件横向方向(TD)和LD方向的屈服强度分别从306 MPa和303 MPa提高到351 MPa和347 MPa,均提高了15%左右。而添加WC构件的TD和LD方向的屈服强度提高到381 MPa和379 MPa,提高了25%左右,相比添加Si C的构件强度提高更多。添加Si C构件的TD和LD方向的极限强度分别从604 MPa和550 MPa提高到727 MPa和695 MPa,而添加WC构件的TD和LD方向的极限强度分别提高到714 MPa和707 MPa。相比未添加这两种变质剂的构件,极限强度在显著提高的同时,TD和LD方向的各向异性也明显下降。这些力学性能的提高和改善归因于更均匀的微观组织和更细小的晶粒。

关键词： 铝合金   超声波   增材制造   显微组织   力学性能  

摘要： 电弧增材制造技术(WAAM)相较于其它的增材制造方法,具有材料利用率和沉积效率高等优点,但WAAM为非平衡凝固组织,组织的可干预性不佳,力学性能有待提高。目前有研究通过控制热输入或引入双脉冲系统、加入冷却介质和焊后热处理等工艺来改善增材层的微观组织及力学性能,但已成功用于熔焊领域提高焊接性能的超声振动却未见用于WAAM。因此,本课题探索将超声振动用于WAAM,旨在研究超声辅助WAAM的可行性。课题以铝镁系合金为对象,采用三种不同随焊超声振动方式辅助WAAM制备试样,重点探究随焊超声振动对增材制造试样微观组织和力学性能的影响规律,研究结果如下:采用随电弧同步移动的滚轮在基板上施加不同功率(50W、125W、200W)超声振动时:1)增材层顶部微观组织为等轴晶粒;中部和底部包含柱状晶和等轴晶以及细小晶粒,其晶粒形貌及尺寸随每道增材层呈周期分布,自熔合线从下往上每个周期的组织分布规律依次为细小等轴晶、柱状晶、尺寸稍大的等轴晶。2)随着超声功率增加,增材层中细晶数量增多,晶粒尺寸减小;增材层中出现了孔隙率异常增加现象,孔隙率依次为0.2%(无超声)、0.49%、1.13%、1.93%。推测孔隙为氢气孔和真空孔洞。3)随超声功率增加,增材制造试样的抗拉强度分别为266.57MPa(无超声)、263.79MPa、262.42MPa、260.58MPa,略有降低但相差不大;伸长率分别为30.67%(无超声)、32.21%、30.71%、29.67%,先增加后降低。这应该是增材层内部孔隙率增加和熔合线附近晶粒细化共同作用的结果。采用随电弧同步移动的滚轮在增材层上施加不同功率(50W、125W、200W)超声振动时:1)顶部微观组织为等轴晶,中部和底部为柱状晶和等轴晶以及更细小晶粒,其晶粒形貌及尺寸分布规律与超声振动作用于基板时相同。2)随着超声功率增加,试样中部和底部细晶尺寸更细小,数目更多;增材层小气孔数目减少,但是孔隙率较上一种超声施加方式更高,依次为0.2%(无超声)、1.78%、1.25%、3.01%。3)随超声功率增加,增材制造试样抗拉强度分别为266.57MPa(无超声)、257.42MPa、246.31MPa、243.61MPa,伸长率分别为30.67%(无超声)、29.71%、28.59%、26.73%,均逐渐降低,且比上一种超声施加方式有所降低,这应该与孔隙率增加有关。采用随电弧同步移动的搅拌针在熔池内施加不同频率(30KHz、40KHz、50KHz)超声振动时:1)增材层顶部显微组织为小尺寸等轴晶,中部和底部柱状晶减少,主要以等轴晶为主;与未加超声振动时相比孔隙率无明显增加,比前两种超声施加方式明显降低,依次为0.2%(无超声)、0.73%、0.64%、0.59%。2)增材层的抗拉强度分别为266.57MPa(无超声)、278MPa、282MPa、299MPa,伸长率为30.67%(无超声)、31.54%、35.53%、41.86%,力学性能相比未加超声振动和前两种超声施加方式均有提升,且随着超声频率的增加逐渐提高。这应该与超声改善组织有关。

关键词： 增材微铸制造   路径约束   熔池流动   凝固过程  

摘要： 电弧增材制造在工业生产中至关重要,但增材过程中的客观条件会对其组织结构和机械性能产生负面影响。目前,在组织结构方面,增材的材料利用程度较低,归因于增材的表面成型程度较低,增材的成型效率较低,归因于增材路径上限制程度较低。在机械性能方面,由于内部气孔的存在,增材的抗拉强度处于较低的水平,由于约束程度的不足,增材的密度也受到了较为严重的影响。因此,如何解决电弧增材制造过程中产生的结构与性能缺陷,是当下需要解决的问题。 基于CMT的电弧增材制造,由于其较低的热量输入,增材制造样品的缺陷基本上可以通过辅助技术手段减轻,但由于沉积路径的复杂性和沉积过程的不确定性,始终达不到百分百满足工业制造需求的沉积修复样品。因此,寻求一种新的限制增材样品缺陷的方法显得尤为重要。一般而言,电弧增材制造样品的结构与性能缺陷是在沉积过程中累计产生的,熔池的流动模式和凝固过程决定了最终样品的材料质量,控制好沉积过程中的熔池流动模式和凝固过程,使之向有利于样品成型的方向发展,便能从源头上减小电弧增材制造样品的结构与性能缺陷。 本文利用理论模型分析法和实验验证法,分析在有无红铜挡板约束的条件下,增材样品在不同的沉积参数下,其结构性能随之的影响。通过对比实验,研究红铜挡板在宏观层面上对熔池流动模式和凝固过程的约束作用,在此基础上,分析红铜挡板对增材样品成型过程中微观组织结构的影响。再从变量的角度出发,通过系列数据研究沉积参数对约束沉积样品质量趋势变化的作用规律,通过CMT电弧微铸制造,来影响增材过程中的熔池流动和材料成型,进而改变增材样品的组织结构和机械性能,主要内容如下: (1)电弧增材制造熔池流动模式。分析CMT电弧增材制造过程中焊丝进给速度,焊枪移动速度,红铜间距,层间温度对熔滴滴渡状态,熔池流动模式的影响。 (2)电弧增材制造材料成型规律。分析CMT电弧增材制造样品在横向和纵向上的沉积成型速度,成型样貌,以及沉积参数对材料成型规律的影响。 (3)红铜挡板对增材样品组织结构的影响。不同条件下沉积样品的熔深和层厚,侧面平整度和顶面波动度,以及侧内向小孔和基板热变形的变化。 (4)红铜挡板对增材样品机械性能的影响。不同沉积条件下样品的性能检测,重点是沉积样品的拉伸强度测试和表面硬度测试,以及其它必要的机械性能指标测试。

关键词： 镍基合金   电弧增材制造   CMT   成形成性   摆动电弧  

摘要： Inconel 718镍基合金因其优异的性能被广泛应用于航天、核电、石油等领域,素有“万能合金”的美誉。开展Inconel 718镍基合金大尺寸复杂构件的电弧增材制造技术研究具有迫切的需求,而Inconel 718镍基合金增材制造过程中存在成形困难、元素偏析、裂纹等问题,因此,本文采用具有低热输入的CMT焊接电弧从直线和三角的沉积路径出发开展了镍基合金电弧增材制造工艺研究。通过镍基合金单道焊缝沉积试验,对焊缝特征及焊接稳定性进行了研究。结果表明,当送丝速度为6 m/min,焊接速度为0.5 m/min时,焊接过程稳定,焊缝成形效果最好,平均晶粒尺寸及晶粒间距相对较小,仅为15.7μm和26.5μm,最适合进行增材制造。随着偏转距离的增加,焊缝边缘出现了“蜈蚣状”形貌,由于摆动电弧的作用,熔池振荡程度增加,熔池冷却速度加快,晶粒逐渐细化。开展镍基合金直线轨迹电弧增材制造薄壁成形试验,研究薄壁构件的组织和性能特征。结果表明,由于散热条件不同,试样从底部到顶部的微观组织分别为胞状晶、胞状树枝晶、粗大树枝晶和等轴晶,并且枝晶间存在较多的析出物,主要为Laves和MC型碳化物,析出相的尺寸和分布与增材试样的微观组织相符合。试样的力学性能具有明显的各向异性,纵向拉伸试样的抗拉强度为727.7MPa,明显高于横向拉伸试样,而屈服强度和延伸率小于横向拉伸试样,分别降低了8.1%和8.2%,该现象主要与断口韧窝的排列方式和Laves相的分布有关。基于三角摆动轨迹研究了在不同偏转距离和层间冷却时间下对镍基合金电弧增材制造构件宏观成形、组织结构及力学性能的影响。结果发现,随着偏转距离和层间冷却时间的增加,在摆动电弧的搅拌作用下,晶粒细化,生长方向发生改变,并且枝晶间析出相的数量及尺寸明显下降。当偏转距离为3 mm、层间冷却时间为120 s时,薄壁的力学性能最好,抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到了701.4 MPa、380.1 MPa和38.9%,相比于直线轨迹相同工艺参数的试样分别提高了8.1%、21.1%和2.0%,试样平均硬度为233.3 HV。综上所述,采用三角摆动轨迹的镍基合金电弧增材制造工艺可以有效改善组织和力学性能,进一步开展基于摆动轨迹的电弧增材制造研究具有重要意义。

关键词： 电弧增材制造   TA2钛合金   TC17钛合金   显微组织   力学性能  

摘要： 钛及钛合金作为一种轻质高强且耐热性好的新型结构材料,在航空航天等工业领域的应用日益广泛,近年来进入了一个极为迅速的发展时期。传统的钛合金制造方法成本昂贵且工艺复杂,而采用电弧增材制造钛合金构件的方法在降低设备成本的同时能获得较高的沉积效率,因此也逐渐成为工业领域的研究热点。钛合金在电弧增材过程中容易出现热积累严重的问题,降低焊接电流是降低增材过程中热积累的一个常用方法。但TIG电弧在较小电流条件下能量密度不够集中,难以保证焊道成形;等离子弧压缩程度强烈,电弧压力过大而不适合薄壁构件的电弧增材制造及修复。因此本文提出一种双层气拘束TIG电弧,该电弧比TIG电弧压缩程度更大,能在较小电流下保持稳定,能量密度有所提升,同时避免电弧压力过大。本文主要对双层气拘束TIG电弧的电弧特性进行了研究,并且将其应用于TA2钛合金和TC17钛合金的电弧增材制造,研究了构件的组织和力学性能。本文对于双层气拘束TIG电弧和TIG电弧的静特性、电弧压力以及电弧电流密度进行了测量,并利用高速摄像机对电弧形态进行拍摄。发现相同焊接电流条件下双层气拘束TIG电弧电压要明显高于TIG电弧电压,电弧压力峰值和电流密度峰值与TIG电弧相比均有所提升。在焊接电流100A时,双层气拘束TIG电弧压力峰值比TIG电弧提升约34%,电流密度峰值提升约14.9%。高速摄像结果显示双层气拘束TIG电弧相较于TIG电弧有明显程度的压缩。而双层气拘束TIG电弧内层气或外层气的气流量大小对电弧特性的影响比较微弱。本文首先在TC4钛合金薄板上进行TA2焊丝的焊缝成形实验,研究两种电弧在焊缝成形上的差异。发现在一定的焊接工艺参数和较小焊接电流条件下,双层气拘束TIG电弧具有更好的焊缝成形。设计了四组工艺实验方案进行TA2钛合金的电弧增材制造,增材体微观组织为边缘不规则的锯齿状α相,增材体顶部的α相尺寸明显大于中部和底部。分析了不同工艺实验组增材构件的微观组织、拉伸性能、断口形貌以及显微硬度方面的差异。进行TC17钛合金的焊缝成形实验,选取两种电弧所成形焊缝尺寸相近的工艺参数进行TC17钛合金电弧增材实验,对两个增材构件的微观组织进行观察,并对其力学性能进行测试。增材体顶部微观组织为亚稳定的过冷β相,中部和底部主要构成组织为细密的网篮组织。双层气拘束TIG电弧的增材构件抗拉强度和延伸率更高,显微硬度值也略高于TIG电弧增材件,两个增材构件的断裂形式均为韧性断裂。

关键词： 电弧增材制造   CMT   4043铝合金   组织和性能   数值模拟  

摘要： 冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)电弧增材制造技术是以熔化极气体保护焊为基础,利用CMT电弧对焊丝进行加热熔化逐层堆积的数字化技术。常用焊丝有铝合金、钛合金、钢等,能制造出多种材料和形状的零件。由于其生产效率高、成本较低等的优点,在多种行业有着广泛的应用,特别是航空和船舶行业由巨大的应用潜力。4043铝合金因其较高的强度和机械性能,耐腐蚀性能较好,特别是较好的流动性,十分适合增材制造,是4系焊丝中最常用的类型。研究4043铝合金电弧增材制造工艺能更好地将其应用于各种场合,为工业化生产提供参考。本文使用ANSYS软件采用高斯热源模型模拟了单道多层薄壁件电弧增材制造过程中的温度场和应力场的变化。模拟结果表明,采用CMT单道多层方式成形薄壁件时,制件的温度随着时间的增加逐渐上升,最终趋于平稳。每一层的熔覆层温度都会经历多次的上升与下降。当热量累积至一定程度后,部分熔覆层会由于后续熔覆层的堆积而发生重熔和应力的释放。随着成型过程的进行,制件高度方向具有最大的变形,其次是长度方向上的变形,各个方向的综合变形使得熔覆层两端发生下榻。最大等效应力的位置在增材件第一层的起弧点和收弧点,此处最容易发生翘曲变形。在有限元模拟的基础上,选择了合适的工艺参数,使用直径为1.2mm的4043铝合金焊丝进行了电弧增材制造实验。研究了成形路径、成形层数、焊接速度、送丝速度、气孔缺陷对成形薄壁件形貌、组织和性能的影响。结果表明,采用往复方向成形方式制备的样品形貌优于采用单一方向制备的样品;成形的样品上层形貌、组织和性能优于中层和下层,样品的横向力学性能优于竖向,横向拉伸性能最高为153.7MPa,竖向拉伸性能最高为134.8MPa;焊接速度的提高会使成形薄壁件的高度和厚度变小,晶粒尺寸减小,气孔率增加;送丝速度的增大会降低成形薄壁件的高度,增加成形薄壁件的厚度,增加晶粒尺寸,减少气孔率。在有限元模拟技术基础上,通过优化CMT工艺参数,成功制备了4043碗状复杂曲面零件,实验制备的碗状样品表面质量和尺寸精度达到要求。实验证明采用CMT技术制造复杂形状4043零件方案可行,制备效率高,制件质量稳定,满足实际生产要求。