关键词： ZL205A合金   电弧熔丝增材制造   热处理   显微组织   力学性能   热暴露  

摘要： 铝合金具有质量轻、比强度高、延展性好和耐腐蚀性好等优点,其中Al-Cu系合金在高温下仍具有较高的强度和韧性,广泛应用于航空航天等领域。电弧熔丝增材制造（WAAM）相比传统减材制造工艺,可以大大缩短制备时间和降低成本,获得具有复杂结构的材料。然而,WAAM合金中存在孔隙和组织性能不均匀等问题,亟待解决。本文以Al-5.0Cu-0.5Mn-0.25Zr-0.3Ti-0.2Cd-0.2V合金（ZL205A）为研究对象,主要分析电弧熔丝增材制造过程及热处理过程的显微组织和力学性能演变规律。主要工作如下:（1）研究WAAM-ZL205A合金制备过程中铸造、均匀化、挤压和拉拔合金组织和性能的演变。铸造合金中主要有α-Al和θ-Al2Cu相,合金晶粒由树枝状晶和等轴晶组成,平均晶粒尺寸为50.4μm。510℃均匀化处理后,θ相在晶界处由网状转变为不连续结构,屈服强度和抗拉强度分别由148.3 MPa和220.1 MPa降低至121.6 MPa和204.7 MPa,但伸长率由5.1%提高至5.8%。挤压后合金晶粒沿挤压变形方向被拉长,平均晶粒尺寸为4.7μm×3.5μm（长×宽）,由于细晶强化,合金的屈服强度和抗拉强度分别提高至187.2 MPa和261.1MPa,伸长率为20.5%。熔丝表面光洁度高,无多余的氧化物。Al基体中的白色Al2Cu相沿拉拔方向分布,大多数为被拉长的椭圆形。（2）研究WAAM-ZL205A合金的显微组织和力学性能演变。相对于底部和顶部,沉积壁中部试样的气孔尺寸小、数量少,相对密度达到92.6%。合金的显微组织为细晶区和粗晶区交替分布,第二相主要包括θ-Al2Cu和θ′-Al2Cu相。由于成形过程中的热循环影响,沉积壁下层试样中析出的针状亚稳态θ′相的体积分数大于上层试样。整体合金壁的显微硬度为74.6～84.5 HV,中部试样的抗拉强度为255.8MPa,伸长率为15.9%,性能接近挤压态合金,明显高于铸造合金。WAAM合金的力学性能存在较小的各向异性,断裂方式为韧性断裂。（3）研究热处理对WAAM-ZL205A合金显微组织和力学性能的影响。合金经过160℃、14 h,175℃、10 h和190℃、8 h峰时效处理后,合金中析出大量θ″和θ′相,屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为342.7 MPa、447.3 MPa、12.1%;366.9 MPa、452.1 MPa、12.9%和383.5 MPa、453.5 MPa、8.1%。双级时效处理后合金中的θ″和θ′析出相轻微长大而体积分数减小,屈服强度和抗拉强度分别为334.2 MPa和444.2 MPa,伸长率与原始态WAAM合金相比基本保持不变,为16.5%。（4）以175℃峰时效处理后WAAM-ZL205A合金为研究对象,探讨高温热暴露后合金显微组织和力学性能的演变规律,以及高温力学性能。200℃、250℃和300℃热暴露6～120 h后,合金中的θ″和θ′相明显粗化长大,导致合金强度降低而塑性提高。热暴露至720 h,合金中的θ″和θ′相进一步长大,合金的强度略有下降,但伸长率大幅度下降。300℃热暴露720 h后合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别降低至165.1 MPa、278.5 MPa和8.9%。100～350℃高温拉伸测试发现,随着拉伸温度的提高,合金强度逐渐下降,伸长率在低于150℃时略有提高,但在高于150℃后逐渐降低。300℃拉伸时合金的屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为87.2 MPa、116.9 MPa和9.9%。图59幅,表7个,参考文献101篇

关键词： 电弧增材制造   中空悬垂结构   支撑工艺   倾斜角度   成形质量  

摘要： 电弧增材制造技术因其成形无限制和成形效率高的优势,广泛应用于航空航天、国防军工等领域。中空悬垂是大型复杂零件的典型结构特征,在增材成形过程中易出现坍塌、变形等现象,成形精度低,有必要对其支撑技术进行研究。目前,关于电弧增材制造中空件的支撑技术研究大多集中在无支撑成形领域,成形工艺涉及繁琐的高阶运动学变换,生产成本高。因此,如何简化成形工艺以及实现高精度成形是中空件增材制造急需解决的问题。本文基于脉冲TIG电弧增材制造技术,重点研究中空件的支撑技术,具体内容如下:采用单层等距偏移法,对无支撑倾斜成形波动区的形貌进行表征,分析了倾斜成形过程中液态金属的流淌变化。通过单因素试验探索中空件无支撑增材极限倾斜能力,分析了工艺参数对极限偏移量和极限倾斜角的影响。基于响应面法构建了峰值电流、焊速和偏移量等参数关于倾斜结构形貌的数学模型,并对模型进行了残差分析和失拟性检验。在此基础上探究了工艺参数对层高、倾斜成形角和有效壁厚的影响。研究发现:增大热输入和送丝量能显著增强无支撑极限倾斜能力,极限成形角度最小为16.72°;偏移量与送丝速度的交互作用对倾斜件形貌影响最大。借助***仿真软件,采用生死单元法对有支撑电弧增材成形的温度场进行动态仿真,通过试验验证了有限元模型的可靠性。在此基础上研究了多层成形时支撑结构和堆积层内部温度的演变规律,分析了支撑结构变形的原因。通过改变工艺条件,进一步探究了层间冷却时间对成形过程温度变化的影响。研究发现:靠近熔覆区的支撑结构变形较为严重,堆积层高度的增加对支撑结构变形的影响减弱;设置层间冷却时间能显著改善堆积层的热积累,并有效保持支撑结构的热稳定性。针对超出自支撑极限成形角的中空件,提出一种预制丝材支撑结构的增材成形方法。通过试验分析了支撑结构参数与增材工艺参数的关联性,进而确定了可在支撑上进行稳定成形的工艺参数区间。采用正交试验探究了各工艺参数对单道增材成形质量的影响,并且针对多道搭接成形进行工艺参数优化。研究发现:随着丝支撑直径的减小和支撑间距的增大,增材工艺参数区间会随之缩小;降低焊接热输入可有效增大支撑间距;电流和送丝速度对焊道成形质量的影响较大。最后,对典型中空件电弧增材支撑工艺进行验证。设计一种变曲率中空结构件,根据其形状特征进行等段分层切片,并基于构建的倾斜结构形貌与工艺参数的数学模型,制定了中空件的增材成形路径和工艺参数方案。将增材制造后的中空件与模型进行对比,结果表明其成形误差在6%以内,验证了无支撑电弧增材成形工艺策略的适用性。

关键词： 电弧增材制造   丝粉同步   风速   组织性能   激光清洗  

摘要： 电弧增材制造（WAAM）具有沉积效率高、制造成本低,适合成形大尺寸复杂金属构件的优点,是零件修复与再制造的关键方法之一,但是现有铝合金WAAM研究主要聚焦于室内条件。实际上,基于电弧燃烧物理过程的WAAM对气流和风向非常敏感,在当前缺乏铝合金自保护药芯焊丝的情况下,现有工艺无法满足野外恶劣环境下零件修复与再制造的应用需求。为此,本文模拟野外环境开展了有风环境下的4043铝合金丝粉同步WAAM工艺和机理研究。主要研究结果如下: 系统研究了丝粉位置、送粉量、电弧电流等参数对丝粉同步WAAM单层单道沉积形貌特征的影响规律,发现适当粉末添加能够有效增强电弧稳定性,改善熔池润湿铺展性,将沉积熔宽和熔深分别增加11%和23%。基于送粉效率和成形质量综合分析发现,丝粉间距是该工艺的关键影响因素,其优化范围为4～6 mm。 探讨了有风环境下Mg、Ti O2、Na F等多种粉末及其配比对丝粉同步WAAM单层单道工艺特性的影响规律,基于工艺稳定性提升原理得到了最优粉末配比为90%Mg+5%Ti O2+5%Na F（重量比）。在此优化配比下,丝粉同步WAAM的抗风能力可以提升至3.5 m/s,是常规WAAM的3.5倍。粉末添加提升WAAM抗风能力的核心机理在于:Mg粉促进电弧电离,提高其稳定性,Ti O2和Na F有助于降低熔体粘度,提升熔体润湿铺展性,并形成保护熔池的表面焊渣层。 研究了有风环境下丝粉同步WAAM薄壁墙零件的成形特征、显微组织和拉伸性能,发现丝粉同步WAAM工艺能够在3.5 m/s风速下稳定成形,突破常规WAAM在超过1 m/s风速无法成形的技术瓶颈。在此基础上引入激光清洗去除沉积层表面附着氧化物,能够将内部气孔率由31.2%降低为10.3%,同时将零件抗拉强度和延伸率分别提升至166 MPa和3.7%,达到室内常规WAAM的98.2%和31%。分析认为丝粉同步WAAM试样能够通过形成Mg2Si颗粒增强相来弥补较高气孔率对力学性能不利影响,从而获得接近室内环境的拉伸性能。

关键词： TiAl合金   TIG电弧增材制造   粉芯焊丝   热处理   力学性能   组织演变  

摘要： TiAl合金因其良好的高温性能可在760～850℃高温下持续稳定工作,在航空发动机零部件制造中有很好的应用前景,但该合金室温塑性差,采用传统的热加工方式进行制造较为困难。随着材料制备工艺的改进,电弧增材制造技术(WAAM)逐渐成熟,采用该工艺制造TiAl合金具有效率高,成本低,材料利用率高等优点。本文将采用TIG电弧进行TiAl合金电弧熔丝增材制造,从粉芯焊丝的制作、TIG电弧增材制造TiAl合金工艺参数、增材制造过程中裂纹的抑制、合金元素V及热处理工艺对TiAl合金增材件的影响等方面进行研究。本文首先制备出能用于试验的TiAl合金粉芯焊丝,通过对焊丝成分的计算,设计出TiAl合金粉芯焊丝与纯Ti丝组成的同侧同速双送丝系统,并在此基础上研究TiAl合金电弧增材工艺参数。以单道熔覆层宏观成形和微观组织作为衡量标准,确定最优工艺参数为:电流105 A、送丝速度65 cm/min、焊接速度150 mm/min、丝极间距5 mm。此外,经过试验发现采用基板预热500℃和控制层间温度在500℃的方式能够抑制TiAl合金电弧增材制造中裂纹的产生。采用最优工艺参数制备出无裂纹的Ti-50Al合金增材件,该增材件内部存在很大的组织不均匀性,顶部区域以树枝晶构成,中部区域以层片组织和树枝晶交替构成,底部区域以层片状组织为基体上面析出不规则胞状组织。三个区域均以γ相为主,Al元素含量均在50%(at.%)左右。该成分的合金凝固路线是从液相中首先析出αTi,随着温度的下降,αTi中析出γ,其组织转变过程为L→L+αTi→αTi+γ→γ。铝含量超过50%时,γ相会互相连接成大尺寸的片状,使得合金的拉伸性能不超过250MPa。为优化TiAl合金增材件的性能,以合金化和热处理工艺来研究其对TiAl合金增材件的影响。V的引入使α相的含量提高,对大尺寸γ相片层组织起到钉扎作用,晶粒细化,性能得到改善。添加V元素的TiAl合金以层片状的(α+γ)组织为基体,显微硬度和室温拉伸强度都得到改善,尤其是顶部区域室温抗拉强度达到386 MPa;采用1320℃保温10 min,50℃纯水淬火、1250℃下回火120 min的淬火-回火工艺对添加V和未添加V的两种TiAl合金增材件进行热处理,未添加V的TiAl合金在热处理结束后表面出现了裂纹,内部晶粒粗大,性能下降;添加V的TiAl合金在热处理之后近层片组织转变为细小的双态组织,室温抗拉强度可以达到400 MPa以上,接近500 MPa,能够满足生产应用的要求。

关键词： Ti-6Al-4V钛合金   电弧增材制造技术   激光沉积制造技术   显微组织   拉伸性能  

摘要： 增材制造技术在制备复杂结构钛合金构件方面具有显著优势,其中主要包括激光沉积制造(Laser Deposition Manufacturing,LDM)技术和电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM)技术。LDM和WAAM是两种典型的金属增材制造技术,分别用来制造小型复杂零件和大型零件的净成形。充分结合电弧增材制造高效低成本、激光沉积制造高质量的优势,将WAAM与LDM两种技术相结合,可同时满足成型件尺寸大而部分结构复杂、成型精度高、效率高等要求。 在本文中,首先采用冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术制备了Ti-6Al-4V钛合金试样,分析其显微组织特征,另外对其拉伸性能、冲击性能和疲劳性能进行评价,着重讨论了电弧增材制造钛合金成形件的疲劳断裂机理。然后以电弧增材制造Ti-6Al-4V钛合金试样为基底进行激光沉积制造,以制备出具有双重组织的复合增材Ti-6AL-4V钛合金试样,并对复合增材试样的组织性能展开研究,对复合增材试样的组织演变规律及其对性能的作用机理进行阐述。 研究表明,CMT电弧增材试样拉伸强度较高,达到锻件水平,但塑性较低,略低于锻件,且存在一定的各向异性,拉伸断口呈现解理断裂与韧性断裂;具有良好的冲击性能,但冲击性能的各向异性并不显著;高周疲劳极限为460MPa,疲劳源均形核于条状未熔合缺陷及气孔缺陷处,且缺陷直径越大,距离表面越近,应力集中现象越明显,疲劳寿命越低。 复合增材试样分为三个不同区域分别为,WAAM区、HAZ区和LDM区,各个区域之间组织均存在差异。并采用四种复合方式对其力学性能进行分析,复合增材试样的强度与电弧增材制造试样相当,且延伸率明显高于电弧增材制造试样,但具有明显的各向异性。

关键词： 电弧增材制造   钛合金   原位合金化   力学性能   非均匀结构  

摘要： 钛合金是航空航天工业中的重要结构材料,增材制造技术是钛合金整体结构件快速、低成本制造的新途径,推进了现代飞机等重大装备的研制与生产。增材制造钛合金的瓶颈问题是固有的大温度梯度和周期性高温热循环不可避免的导致大尺寸柱状晶形成。通过微合金化原位合成增强相是简单有效的钛合金组织调控方法,但是合金强度提高的同时却伴随着塑性的牺牲,因此强度与塑性的协同提高成为亟待解决的关键问题。针对这一问题,本文提出了在电弧增材制造过程中原位合成非均匀结构增强的钛合金,通过调控增强相的分布结构,实现增材制造钛合金强度与塑性的协同提高。首先,使用冷金属过渡(CMT)电弧增材制造了微量硼添加的Ti-6Al-4V钛合金。由于凝固过程硼元素的宏观偏析,原位合成的Ti B晶须数量从单个沉积层底部到顶部逐渐增加,在整个构件中形成了梯度循环的增强结构。梯度循环的增强结构使增材制造钛合金强度提高17%,达到1089 MPa的同时延伸率仍保持在8%,几乎没有降低。在添加最多至0.15 wt.%的硼后,原位合成的Ti B晶须仍保持着梯度循环的分布结构。随着硼的进一步添加,钛合金的强度随之提高,而塑性有所降低,Ti-6Al-4V-0.15B合金的强度达到1178 MPa,塑性则减少到5.2%。为使增材制造构件具有更好的成形精度和能够添加更多的增强相,采用非钨极惰性气体保护(TIG)电弧结合隔层添加硼粉制备层状交替结构增强钛合金,硼元素的添加量最多达0.45 wt.%。层状交替结构增强钛合金由纯钛合金层与Ti B晶须增强层交替构成,层与层之间界面清晰,结合完好。层状交替增强结构使钛合金竖直与水平方向强度提高20%与16%,延伸率分别为7%与4%。随后,探究了通过调节送丝速度调控层状结构厚度的可行性。最后,采用TIG电弧增材制造Ti B晶须均匀分布的钛合金,在竖直与水平方向的增强效果仅有10%与7%,延伸率则降低至5%与3%。与两种非均匀增强钛合金对比,证明了非均匀结构具有更好的强化效果。基于多种强化理论对非均匀结构的强化机制进行了分析,发现以细晶强化与载荷转移强化为主,非均匀分布的Ti B晶须有效维持了合金塑性。基于现有的研究结果,展望了进一步的跨尺度非均匀结构设计思路。

关键词： 一体化馈源杯体   电弧增材制造  

摘要： 目前论证的天线一体化馈源杯体最大轮廓为0.4 m×3.2 m×4 m,要做到超宽超厚的铝合金结构件需通过专门定制毛坯材料。这种非货架材料制备需改造材料制造设备,导致材料生产周期长、材料成本高,这些制约了航天超大尺寸一体化馈源结构件的制造。为实现超大毛坯的制造目的,文章通过电弧增材制造毛坯的工艺方法,得到了满意的试验结果。研究结果表明,采用连续短直线成形路径,且将起、熄点置于零件外侧的成形方法,可获得成形良好、无肉眼可见缺陷的零件,为超大毛坯制造提供了一种新的思路。

关键词： 电弧增材制造   直壁件   双面堆积策略   变形   应力  

摘要： 针对传统电弧增材制造单面堆积所导致单向热累积问题,文中提出采用双面堆积的策略,即在基板的两面交替堆积相同的材料来平衡传统单面堆积的单向热输入产生的围绕成形件中性轴的较大的弯矩,从而减小单面堆积成形件的单向翘曲变形,并通过单道4层直壁零件的单面堆积和双面堆积的热力耦合数值仿真和对应的试验进行验证。研究结果表明,双面堆积策略可有效减小基板和直壁件的翘曲变形,改善成形件残余应力分布,从而验证了所提出策略的有效性。文中的研究结论可以为电弧增材"形、性"并行的调控提供理论依据和参考。

关键词： 电弧增材制造   复杂界面   路径规划   多边形运算   复合填充  

摘要： 针对已有的电弧增材制造路径规划方法在应用于热锻模具等具有复杂截面轮廓,如内部有空腔或者薄壁结构的待修复目标模型时,存在边缘处阶梯效应、偏移轮廓出现退化边和编程复杂等问题,提出截面内部采用直线扫描填充算法、截面外部采用轮廓偏移填充算法的复合填充方式,使得内部填充均匀并且外部过渡平顺。针对轮廓偏移过程中经常出现的内外轮廓相交情况,提出了解决方案并重点讨论了多边形相交时的几何关系运算。最后,选取某失效曲轴锻模进行电弧增材制造修复实验,修复过程中填充路径使用复合填充方式,实验验证了新方法的有效性。曲轴模具修复结果表明,复合填充方式能够得到机械加工后不存在空隙、夹渣、裂纹等缺陷的模具。

关键词： 电弧增材制造   质量调控   沉积路径   性能评价   典型应用  

摘要： 电弧增材制造技术以其成形速度快、材料利用率高、生产成本低等优势,在航空航天、船舶制造、汽车工业等领域已取得广泛应用。本文首先介绍了电弧增材制造在质量调控方面的发展现状,包括工艺参数、基板和层间温度以及保护气体;其次,结合国内外最新研究成果,论述了沉积路径的发展情况,并对成形件的力学、疲劳、腐蚀性能进行了分析,介绍了电弧增材制造技术在大型化、整体化零部件制造中的典型应用;最后总结了电弧增材制造面临参数动态监测技术尚不成熟,成形工艺优化不够系统,标准制定不足,疲劳和腐蚀机理研究不够等主要挑战,并对其未来的发展趋势给出了相关建议,即建立参数控制数据库、开发新型材料、建立工艺流程库、完善软硬件系统等。