关键词： 电弧增材制造   气体分布模拟   温度场模拟   热积累   高温氧化  

摘要： 电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术具有设备成本低、材料利用率高、适合成型大尺寸结构件等诸多优势,被广泛应用于航空航天等技术领域。但在WAAM过程中,复杂的热过程会产生过高的热积累,形成较大的温度梯度,增加了发生高温氧化的区域,容易导致成型缺陷,制约了该技术的进一步发展。因此,研究降低WAAM热积累与防止高温氧化的工艺方案具有重要意义。本文以Ti-6Al-4V钛合金作为填充材料,采用基于双丝钨极氩弧焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW)的WAAM技术成型薄壁件为例,模拟了WAAM过程中保护气体的分布,分析了保护气对薄壁件的散热影响,优化了散热数值,进而构建了有限元模型,分析了温度场的分布规律。分别提出了减少热累积、防止高温氧化的工艺方案。具体研究内容如下:(1)利用Fluent软件模拟了WAAM过程中保护气体的分布,研究发现,随着保护气体流量的增加,薄壁墙周围保护气体的覆盖范围和浓度上升;采用相同的气体流量时,向下延长拖罩侧壁能够有效增加保护气的范围和浓度。针对传统拖罩局部保护装置在保护零件免受高温氧化时的不足,提出向下延长拖罩侧壁的方案来提高拖罩对薄壁墙的保护作用,减少薄壁墙受到高温氧化的影响。(2)通过分析保护气分布的模拟结果,确定WAAM过程中的散热方案,即拖罩部分的薄壁墙散热应按照自然对流传热处理,喷嘴处的薄壁墙散热按照热对流系数为21.2824 W/(m·K)作强制对流处理。将优化的散热参数用于制造过程中的温度场模拟,有利于提高模型的计算精度。(3)通过验证后的有限元模型,对填充材料的摆动堆积方式、层间停留方式进行数值模拟,分析不同因素对温度场的影响,并通过温度数据优化保护气参数。研究结果表明,采用摆动工艺和200℃的层间停留温度能够有效减少热积累,并且采用摆动工艺还可以提高零件表面平整度、减少滞后停气时间。模拟研究结果对实际WAAM过程中降低材料热积累与防止高温氧化的工艺参数调整具有指导意义,为电弧增材制造高质量构件过程提供了有益的参考。

关键词： 电弧增材制造   焊道角度   层间重叠率   组织   性能  

摘要： 电弧增材制造技术(WAAM)是丝材增材制造技术的一种,因其以焊接电弧作为热源,具有热输入效率高、成型效率高、可用于较大结构金属构建的高效、低成本成型等优势,因此是金属材料3D打印方向一个重要研究领域。电弧增材制造的基本原理是通过焊丝的逐层熔化堆积,最终获得所需的实体结构。本课题利用冷金属过渡(CMT)的电弧增材技术,以304不锈钢为基板材料,研究了电弧增材在制造复杂结构时会遇到的焊接线能量、焊道夹角角度、层间重叠率等工艺参数对其宏观成型、微观组织及力学性能的影响。主要结论如下:在电弧增材单层单道结构时,随着送丝速度的增加,单层单道焊道熔宽也随之增加,而焊道高度则先是增加后减小;而随着焊接速度的增加,单层单道焊道高度和熔宽均随之减小。在电弧增材制造结构中,底部为第一层焊道和基板共同形成的熔合区,中部主要为从不同方向逐渐向上生长的柱状晶,在顶部主要为较为均匀、细小的胞状晶,此外在层间存在明显的重熔层。随着焊接线能量的增加,电弧增材构件中柱状晶生长排列更加整齐,晶间距离增加,柱状晶的二次枝晶也随着线能量的增加而生长得更加连续明显。随着层间重叠率的减小,即构件倾斜度增加,柱状晶垂直向上生长时受限,也被迫发生倾斜,最终使得柱状晶连续性减弱、短且易破碎。随着焊道夹角角度的增加,在夹角区域的柱状晶生长时受限减少,因此其柱状晶生长空间增加,连续性更强,晶间距离增加。电弧增材直壁/曲面结构在沿高度方向上,其硬度均逐渐降低,从约210HV降低到150HV左右,下降了约28.5%左右,并最终在150HV上下波动。随着线能量的增加,则会使电弧增材结构显微硬度有所降低。焊道夹角角度和层间重叠率对其影响不大,但会使其层间硬度变化波动更大。电弧增材制造结构的抗拉强度普遍大于同材料的标准抗拉强度40～90MPa,约为7%～17%左右。而其延伸率则普遍小于标准5～10%左右,试验中当焊接线能量增加150J/cm时,其抗拉强度随之增加约7.3%。

关键词： 电弧增材再制造   分层切片   路径规划   碰撞检测   焊枪姿态调整  

摘要： 热锻模具电弧增材再制造是由数字模型驱动对失效模具进行尺寸恢复与性能提升的先进制造技术,该技术采用的软件以及其包含的模型数据处理算法对模具再制造的成形质量和精度有着重要的影响,是实现再制造过程自动化的基础。目前,对于热锻模具电弧增材再制造模型数据处理算法的研究仍无法支持实现稳定且连续的修复再制造自动化过程。本文针对热锻模具电弧增材再制造模型数据处理所涉及的分层切片、路径规划、焊枪姿态调整以及机器人末端姿态优化等过程开展了研究,设计开发了相应的模型数据处理软件,为该技术的推广应用提供支撑。 为实现对STL模型进行快速稳定地切片,基于哈希查找方法和利用字典数据结构对读取的模型数据进行了拓扑重构。基于建立的拓扑关系设计了单层快速切片算法,提出了有界平面的概念确定内外轮廓线之间的位置关系,并对截面轮廓进行了优化。通过与开源软件Cura的切片过程进行对比,验证了本文提出的切片算法具有较高的切片效率。此外,设计了基于层片面积变化的自适应分层算法,降低了侧壁未熔合缺陷发生的概率。 基于复合路径扫描填充策略设计了相应的路径生成算法,实现了再制造路径的自动生成。该算法能够自适应调整扫描线的位置,可避免局部未填充现象的发生。通过量化轮廓线的形状特征以及分析偏置轮廓线内所有顶点的非极值角度范围,对截面填充路径的方向进行了优化,分别实现了改善成形质量和减少子区域数量的目标。 设计了基于碰撞检测的焊枪姿态自适应调整算法,避免模具再制造过程中焊枪与模具基体发生碰撞。碰撞检测过程通过初步碰撞检测和精确碰撞检测两个阶段实现:初步碰撞检测阶段采用了包围盒技术和空间分割方法,快速排除非碰撞区域;精确碰撞检测阶段采用线-体相交检测来代替常规的三角面片之间的相交检测,有效提升了检测效率。以路径目标点的位置信息来表征模具型腔形状,并基于提出的碰撞检测算法,分别设计了轮廓路径和内部直线填充路径的焊枪姿态自适应调整算法。通过四组焊枪姿态调整对比实验,验证了本文提出的碰撞检测算法在检测效率上的优越性以及焊枪姿态自适应调整方法的可行性。 以避免关节超出极限为目的,基于自由度冗余设计了优化机器人末端姿态的算法。通过对机器人运动学和机械臂在模具再制造作业空间的几何构型进行分析,提出了机器人逆运动学解析解唯一解的求解准则。通过采样分析机器人各关节角度值的方法,提出了优化机器人末端初始姿态相关算法,避免机器人运动过程中出现关节超过角度极限情况。通过三组对比实验,验证了本文提出的机器人末端姿态优化算法在避免关节超出极限方面的可行性。 设计开发了热锻模具电弧增材再制造模型数据处理软件。基于wx Python和可视化工具包VTK实现了界面的开发以及三维模型可视化的搭建。模型数据处理模块实现了模型导入、分层切片、路径规划和焊枪姿态调整等功能。基于Py Bullet搭建了机器人离线仿真环境,并开发了可输出不同品牌机器人程序的离线编程模块。 通过对单道焊缝成形进行试验分析,确定了保证单道焊缝成形质量良好的合理工艺参数范围;同时,基于BP神经元网络建立了焊道尺寸与工艺参数之间的预测模型,为自适应分层切片和填充路径规划提供数据支持。基于以上工艺研究结果以及所开发的软件对失效的前桥模具、叶片模具和涡轮盘模具进行了电弧增材再制造。在再制造过程中机器人运动平稳连续,且再制造后的模具表面质量良好、尺寸均匀,进一步验证了本文提出的模型数据处理算法以及所开发的模型处理软件的可行性和稳定性。 论文的研究工作为电弧增材再制造技术在热锻模具修复领域的应用提供了算法和软件支撑,具有重要的工程应用价值。

关键词： 电弧增材   冷金属过渡   TiB2增强铝基复合材料   微观组织   力学性能  

摘要： TiB2颗粒增强铝基复合材料具有力学性能高、加工性能好等诸多优点,已成为航空航天、国防军工、机械制造等众多领域的潜能材料。将该类复合材料制成丝材,探索合适的熔化方法实现增材制造,是进一步拓宽其应用领域,充分发挥性能优势的新的研究课题。本文研究工作以TiB2/6056铝基复合材料丝材为焊材,冷金属过渡（CMT）技术为加热方式,探索TiB2颗粒增强铝基复合材料丝材的电弧增材（WAAM）工艺,研究增材件的微观组织和性能。具体工作主要包括三大部分:前两部分采用数值模拟和试验探索相结合的方法,研究TiB2/6056铝基复合材料丝材WAAM-CMT增材成形的问题和难点,优化其增材制造工艺参数;第三部分采用试验获得的最优工艺制备尺寸较大的TiB2/6056铝基复合材料增材件,详细研究增材件微观组织特点,分析其力学性能,揭示WAAM-CMT成形TiB2/6056复合材料的强化机制。WAAM-CMT数值模拟研究结果表明:电弧增材过程中,增材件内部的温度和应力经历了反复的升降,存在增材层重熔和应力释放现象,残余应力主要分布在增材件中部。增加层间等待时间,有利于降低增材件内部热积累,可有效避免增材件出现下塌陷缺陷。WAAM-CMT工艺探索研究结果表明:增材过程中热输入对增材层的微观组织和成形质量有非常大的影响。单层单道试验发现,热输入在1200～2400J/cm焊道成形良好。增大热输入,有利于降低增材焊道的气孔率;焊道的熔宽和余高随着之增大;增材层组织由树枝晶→胞状晶→等轴晶转变。单层多道试验表明:道间间距为3.45mm时,增材层表面光滑、成形良好,搭接区域几乎没有较大的沟壑,成形精度较高。单道多层试验发现:热输入为1625J/cm,机器手臂Z轴抬升量为1.5mm,层间等待时间40s,采用往复增材路径可获得成形质量良好的增材件。WAAM-CMT增材件的组织和性能研究结果表明:逐层增材中各增材层受热和散热的程度不同导致沉积态增材件的组织分布不均匀,底部的晶粒尺寸最为细小,中部的晶粒尺寸较粗大,顶部为细小的树枝晶;增材件中的TiB2颗粒和化合物相主要分布在α-Al的晶间位置。T6热处理后,增材件内部晶粒尺寸有所增大,枝晶偏析现象明显消除,晶界上的化合物相回溶到铝基体中,晶界变窄。热处理后增材件在3.5wt%Na Cl溶液中抗腐蚀性能明显提高;显微硬度是沉积态的1.4倍,达到115.5Hv;XY方向抗拉强度达到312MPa,与沉积态相比提高了24.8%,Z方向抗拉强度达306MPa,与沉积态相比提高了33%。分析认为,WAAM-CMT成形TiB2/6056复合材料的强化机制为:TiB2增强颗粒的Orowan强化和经热处理后析出化合物相引起的弥散强化。

关键词： 电弧增材制造   过度补偿   路径规划   BP神经网络   典型结构件  

摘要： 电弧增材制造是利用电弧产生的热量把焊丝熔化后以熔滴的形式随焊枪一起移动,在基板上逐层熔敷成形,最终熔敷堆积成和模型一致的金属结构件。电弧增材制造的金属结构件力学性能优良,致密性良好。本文针对电弧增材制造路径的缺陷控制展开了研究,并完成了典型结构件的电弧成形试验。主要的研究内容有以下几点:(1)针对封闭路径闭合处在成形过程中出现的搭接不平的缺陷,采用了过度补偿的成形控制策略,有效解决了闭合处搭接不平的缺陷。同时针对过度补偿距离的确定方法进行了研究,提出了补偿前弧坑长度和过度补偿距离的数学计算公式,并验证了过度补偿距离计算公式的可靠性。(2)针对非封闭路径起弧端和熄弧端高度差距大的问题,分析了单道成形熄弧端出现塌陷的原因,在已有的平行往复熔敷方式上进行了改进,提出了在熄弧端不熄弧往回焊接一定距离的同时降低焊接电流再熄弧,层与层之间保持平行往复的成形策略。基于试验数据建立BP神经网络预测模型,并通过试验验证了模型预测结果的准确性。(3)以典型结构件中的蜂窝结构件为例,对蜂窝结构进行了结构分析,利用电弧增材的方法,结合两种路径成形控制策略进行路径规划,最终得到了成形形貌良好的308L不锈钢蜂窝结构件,验证了路径成形策略和路径规划的可行性。

关键词： 电弧增材制造   激光清洗   熔池流动   气孔率   组织性能  

摘要： 随着航空航天、轨道交通、新能源汽车等领域的不断创新发展,运载工具的高速、高航程和低能耗需求日益增加,结构同步强化与轻量化逐渐成为研究趋势。因此,轻量化材料的增材制造技术越来越重要。Al-Zn-Mg-Cu(7系)超硬铝合金具有较高的强韧性和耐蚀性,在制造轻量化、大尺寸复杂结构中广泛应用。电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,简称WAAM)具有成本低、沉积效率高等优点,是增材制造大尺寸工件的理想技术之一。由于高气孔倾向性、高裂纹敏感性和焊后机械性能下降等缺点,超硬铝合金WAAM技术仍未突破。针对上述难题,本文提出了纳秒激光清洗-WAAM新工艺,并结合纳米材料改性技术,采用冷金属过渡(cold metal transfer,CMT)技术,对激光清洗-WAAM过程中熔池流动演变过程、缺陷、显微组织与力学性能进行了系统分析研究。取得如下成果。 首先,利用计算流体仿真分析方法对激光清洗-WAAM铝合金过程进行了数值模拟。重点研究了WAAM成形过程、清洗激光以及不同电弧模式下对WAAM成形过程的影响。研究发现WAAM过程熔池流动在重力、表面张力、浮力、电磁力和电弧压力的共同作用下,流动规律主要为2个阶段,第一阶段熔滴冲击熔池,电弧中心处的金属快速向下移动,形成凹坑,凹坑附近的熔融金属向四周流动;第二阶段部分电弧中心附近金属流体向电弧中心流动,填平凹坑,从而使表面成形。激光清洗-WAAM和WAAM对比发现,激光清洗是一种清洁、基本无损伤的高效清洗工艺,没有改变熔池流动的规律,对温度场、流场和温度梯度影响均很小。通过对不同电弧模式下的流场分析,发现脉冲CMT(CMT+Pluse,CMT+P)模式下由于其高脉冲电流的特性,熔融金属流动更加剧烈,温度梯度更高,利于成形宽而矮的试样。而脉冲变极性CMT(CMT+Pluse+Advane,CMT+P+A)模式则更适合成形高而窄的试样。 通过对缺陷和组织性能的分析,发现激光清洗作用、Ti C纳米相改性、变极性CMT(CMT+Advane,CMT+A)和CMT+P+A模式均能降低气孔率。并且添加了Ti C纳米改性相的7075铝合金(7075NT)电弧增材后基本无裂纹。7075铝合金组织为枝状晶和等轴晶。7075NT组织为更加细小的等轴晶。CMT和CMT+P模式下显微组织接近,CMT+P模式下晶粒尺寸小于CMT+A模式。7075增材试样性能存在明显的各项异性,其中纵向的拉伸性能优于横向的拉伸性能。激光清洗能提高试样的强度同时降低强度的各向异性,其中7075的横向强度提高50MPa左右。7075NT试样的力学性能优于7075,各项异性系数远低于7075。7075NT的强度比7075提升125MPa以上。热处理可以提高试样的强度和韧性,降低各向异性。热处理后7075NT试样的最高抗拉强度可达450MPa,7075试样热处理后的最高抗拉强度可达373MPa。7075铝合金纵向为穿晶韧窝断裂,横向为解理断裂。7075NT增材试样的各向断裂方式为均为沿晶断裂。其中7075试样的硬度为110HV左右,7075NT试样的硬度相较于7075提升20-30HV左右。 分析发现,激光清洗主要是通过剔除含氢氧化物,减少H气泡析出,从而减少气孔率,强化性能。纳米改性是通过形成细小的等轴晶,提高凝固过程气泡的逃逸能力,达到抑制气孔的效果,并通过细晶强化和第二相强化提高其性能。

关键词： 电弧增材制造   步进填丝   双脉冲TIG   数学模型   成形精度  

摘要： 电弧增材制造技术(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)因其具有沉积效率高、材料利用率高、生产成本低等优点,非常适合大型复杂金属零件的快速近净成形。但是基于常规焊接方法发展而来的电弧增材制造技术,因自身存在电弧-熔滴-熔池间的强耦合、非线性时变交互作用及与外部环境复杂的热交换等特点使得成形过程稳定性难于控制,成形表面质量粗糙、尺寸精度低、残余应力大、组织性能存在各向异性,严重限制着其在现代工业领域内大尺寸零部件高效低成本制造中的应用。针对WAAM因存在电弧-熔滴-熔池间的强耦合造成的成形件成形精度低和表面质量粗糙等问题,本研究提出步进填丝双脉冲钨极氩弧焊(DP-TIG)的电弧增材制造方法,采用步进送丝、低脉冲电流群形成熔池和高脉冲电流群熔化焊丝形成熔滴的方式实现电弧-熔滴-熔池系统的热-质传输解耦,提高增材成形精度。为此,组建了步进填丝DP-TIG电弧增材制造实验系统,开展了以下研究并在本文实验条件下取得了重要研究成果。首先,研究了双脉冲电流对熔池动态行为和成形件微观组织的调控作用,实验证明双脉冲电流对熔池几何特征尺寸和熔池热过程变化具有良好的调控能力。在此基础上,分析了步进填丝DP-TIG电弧增材制造单层单道和多层单道的增材形貌特征以及不同送丝方式对步进填丝DP-TIG电弧增材制造过程的影响。其次,针对步进填丝DP-TIG电弧增材旁轴送丝过程中熔滴过渡稳定性差的问题,建立了步进填丝DP-TIG电弧增材熔滴过渡过程的数学模型,仿真研究了送丝速度、送丝角度、高脉冲电流群和焊接速度对熔滴过渡行为的影响规律,分析了不同参数下熔滴过渡位置的规律并通过实验验证了模型的准确性。与其他参数相比,送丝速度对熔滴过渡位置的影响最显著,在增材过程中可以通过调整送丝速度来保证熔滴过渡的稳定性。最后,通过实验分析多层单道增材过程中熔池动态演变过程,发现熔池边界失稳主要是由热积累作用下熔池温度过高导致。因此,为减小热积累效应对增材过程稳定性的影响,建立步进填丝DP-TIG电弧增材熔池热平衡数学模型,采用将热积累转化为熔池热输入的思路,在不影响传质过程稳定性的前提下,调节低脉冲电流群来降低熔池整体热输入,保证熔池系统的稳定。为了保证成形过程稳定性精确可控,对原有的反馈调节过程进行改进,将调节低脉冲电流群变为实时调节焊接速度,结果表明,调节过程改进后增材过程稳定性和成形精度有了进一步的提高。

关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡   308L不锈钢   组织分布   力学性能  

摘要： 308L不锈钢由于含碳量低,具有良好的抗裂性和耐腐蚀性,被广泛的应用于石油化工、压力容器、核反应堆等行业。与传统的成形制造方法相比,电弧熔丝增材制造技术具有生产成本低、成形效率高、生产周期短、设备简单等优势。但是,电弧熔丝增材制造的过程中,会由于增材结构件的热累积值过大,熔池冷却速率低等问题对成形件的组织和力学性能产生不良的影响。针对以上问题,本文基于冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)焊电弧不锈钢增材制造技术,开展了308L不锈钢焊丝电弧熔丝增材制造试验。研究了不同的送丝速度和焊接速度对单层单道焊缝成形形貌的影响,并选取了合理的焊接参数进行了单道多层和多层多道增材制造试验。探讨了层间温度、送丝速度、焊接速度和增材路径对增材件成形宏观形貌、显微组织和力学性能的影响。首先,研究了焊接工艺参数(送丝速度、焊接速度、层间温度)对单层单道焊缝和单道多层墙体成形宏观形貌的影响。结果表明,随着送丝速度的增大,焊缝的宽度逐渐增大,焊缝高度先增大后减小;随着焊接速度的增大,焊缝的高度和宽度均减小,该规律同样适用于单道多层增材成形件。在单道多层增材制造的过程中,采用“Z”字往复增材路径可以有效的避免墙体往一侧坍塌的现象;当层间温度高于150℃时,会因为墙体的热累积值过大,降低薄壁件表面成形精度。最终得出结论,当308L不锈钢焊丝直径为1.2mm,保持焊枪与基板相垂直、喷嘴距离基板高度为15mm时,设定送丝速度7m/min、焊接速度5mm/s、层间温度控制在150℃,采用“Z”字往复增材路径时,薄壁件宏观成形最好。其次,利用OM、SEM和电子万能(拉力)试验机等设备对单道多层成形墙体的微观组织和力学性能进行了分析。结果表明,CMT增材制造308L不锈钢墙体在室温下的组织为奥氏体基体+少量残余铁素体。墙体在沿高度方向上,不同区域的组织存在明显的差异,底部区域内,奥氏体呈细小的胞状晶和柱状晶,铁素体多数呈板条状、絮状分布,组织沿垂直基板方向生长;重熔区内,奥氏体柱状晶垂直于熔合线方向生长,铁素体呈针状;中部区域,粗大的奥氏体柱状晶沿垂直方向生长,铁素体呈骨架状;顶部区域,奥氏体柱状晶生长方向复杂,铁素体呈骨架状。墙体总体硬度值在175HV-220HV之间,在高度方向上呈现底部最高、中部次之、顶部最低的分布趋势;在宽度方向上,中心硬度值最高,两侧较低。墙体的抗拉性能存在各项异性,水平抗拉强度最大值可达730.37MPa,垂直方向抗拉强度最高可达686.27MPa,拉伸试样断裂方式均为韧性断裂。最后,规划了平行往复和“十字”正交两种增材路径进行多层多道增材试验,并研究了不同的路径下成形块体组织和性能的差异。结果表明,在两种不同的增材路径下,试样底部和顶部区域显微组织不存在明显差异;块体中部区域组织存在差异,在“十字”正交增材路径下,试样中部区域的组织生长方向更多。两种增材路径下,块体的硬度值在180HV-230HV之间。“十字”正交增材路径下成形块体硬度值更高且硬度分布更加均匀。两种增材路径下,块体拉伸性能存在明显的各向异性,但在“十字”正交路径下,块体沿Z轴方向的抗拉强度值比平行往复增材路径下高30MPa左右,其各向同性更强。

关键词： 电弧增材制造   双金属结构   316L/Inconel625   成形工艺   显微组织   力学性能  

摘要： 不锈钢-镍基合金双金属结构可以使成形件兼备两种材料的优良机械性能,也能节省大量的镍基合金资源,减少珍贵金属的浪费。在核电、压力容器、航空航天、船舶车辆、国防军事和石油化工等领域具有广泛的应用价值。然而,不锈钢与镍基合金之间的导热系数等属性相差较大,导致两者之间的熔焊容易出现凝固裂纹、脆性金属间化合物和气孔等缺陷。冷金属过渡技术(CMT)是有着焊接热输入相比较低的优势,能有效降低沉积层的残余应力和变形。利用CMT电弧增材制造技术制备不锈钢-镍基合金双金属结构具有重大的现实意义。本文基于冷金属过渡焊电弧增材制造设备对316L不锈钢和Inconel625镍基合金双金属结构进行电弧增材制造研究。搭建CMT电弧增材制造系统,进行单金属单道单层成形工艺参数试验,获取不锈钢和镍基合金的合适焊接参数范围。通过对两种材料的单金属单道单层试验分析,揭示了焊接参数对焊道宽度和焊道余高的影响规律,确定了焊道成形的最佳工艺范围。并扩大单道成形数据库,对单金属单道单层成形做出更精确的描述。在单金属单道单层成形基础上,对单道多层焊道的成形过程进行了研究,确定了单道多层的往复式堆积路径。针对不锈钢-镍基合金双金属单道单层成形过程中的宽度匹配问题,设计匹配试验,成形出宽度匹配的双金属结构单道多层结构成形试件。对不锈钢-镍基合金双金属结构成形中的“颈缩”现象进行了成形过程优化,大大提高了成形件的金属利用率。基于上述研究,堆积出不同的双金属单道多层成形试件。研究了不锈钢-镍基合金双金属结构的显微组织和力学性能,发现不锈钢-镍基合金双金属结构成形良好,未出现裂纹等缺陷,晶体组织主要为胞状晶和柱状晶,在硬度测试试验中,镍基合金侧比不锈钢侧硬度值高,在双金属结合界面的硬度未发生突然降低;在拉伸测试对比结果中,双金属结构试件的抗拉强度为349-443MPa,与镍基合金单种金属的拉伸强度近似,双金属结构试件的断裂位置在316L不锈钢侧,断裂方式为韧性断裂,不同焊接热输入的双金属件拉伸强度、伸长率与焊接热输入大小成反比。实验结果表明,不锈钢-镍基合金双金属结构的成形质量良好,未出现裂纹等缺陷,力学性能良好,符合电弧增材制造成形要求,验证了不锈钢-镍基合金双金属结构成形工艺参数的合理性。