关键词： 电弧增材制造   数值模拟   多物理场耦合   传热流动  

摘要： 深入理解工艺参数条件与复杂物理现象及成形质量之间的内在影响机理是获得结构合理、性能可靠、无缺陷的高质量电弧增材构件的重要前提。本研究综合考虑电弧传热、熔滴过渡、金属蒸发、熔池自由表面变形、熔池金属对流、金属熔化与凝固及焊枪与基板相对移动等多物理过程，构建了铝合金电弧增材制造电弧-熔滴-熔池一体化三维瞬态数值模型。模型中，采用流体体积分数法追踪气液自由界面，基于“局部热力学平衡-扩散近似”模型考虑鞘层复杂热效应，采用移动参考系处理焊枪与基板的相对运动，并从熔滴过渡及熔覆层形貌两方面验证了模型的准确性。基于建立的模型，模拟分析了焊接电流和熔覆速度对铝合金电弧增材单道成形形貌演变、液态金属传热和流体动力学行为的影响机理。结果表明：随着焊接电流的增加，熔覆层截面形貌由圆弧状向扁平状转变，熔池金属温度梯度和流速升高，但流动类型变化较小；随着熔覆速度的增加，熔覆层截面形貌由扁平状向圆弧状转变，熔池深度和内部金属温度梯度降低，同时液态金属整体向熔池后方流动的流动行为转变加快。

关键词： AZ91 magnesium alloy   droplet transfer   microstructure   mechanical properties   cold arc process  

摘要： Thin walls of an AZ91 magnesium alloy with fine equiaxed grains were fabricated via cold arc-based wire arc additive manufacturing(CA-WAAM),and the droplet transfer behaviours,microstructures,and mechanical properties were *** results showed that the cold arc process reduced splashing at the moment of liquid bridge breakage and effectively shortened the droplet transfer *** microstructures of the deposited samples exhibited layered characteristics with alternating distributions of coarse and fine *** layer-by-layer deposition,the β-phase precipitated and grew preferentially along grain boundaries,while the fineη-Al_(8)Mn_(5)phase was dispersed in the α-Mg *** mechanical properties of the CA-WAAM deposited sample showed isotropic *** ultimate tensile strength and elongation in the building direction(BD)were 282.7 MPa and 14.2%,*** microhardness values of the deposited parts were relatively uniform,with an average value of HV 69.6.

关键词： 熔丝电弧增材制造   IN718高温合金   冷金属过渡   显微组织   力学性能  

摘要： 熔丝电弧增材制造技术(Wire arc additive manufacturing,WAAM)凭借着低成本和高效率成为了一种具有潜力的增材制造方式。然而由于增材过程中为了避免热量累积需要在每一层材料沉积后进行冷却,这不仅降低了增材的效率,高温也会影响材料本身和样品的成形。本试验采用冷金属过渡技术(Cold Metal Transfer,CMT)技术进行IN718镍基高温合金薄墙试样的制备。研究不同冷却工艺(常规空冷和辅助水冷)对制备样品的显微组织与力学性能的影响。结果表明,采用辅助水冷制备IN718合金不仅具有更高的增材效率,并且凭借着稳定且快速的散热,使其成形质量好于常规的空冷。由于辅助水冷具有较高的冷却速度和较低的样品温度,抑制其内部的Laves相的生长,使合金内部析出细小的Laves相,而空冷由于散热条件差,高温导致Laves析出并相长大。这导致水冷试样的塑性优于空冷试样。同时由于Laves相产生的第二相强化,水冷试样的强度更高,但伴随着其塑性的降低。本研究不仅能为电弧增材制造IN718合金提高增材效率,且提升了材料的综合力学性能,为后续高效高质量增材制造IN718零部件提供重要指导意义。

关键词： 电弧增材   层间温度   不锈钢   显微组织   力学性能  

摘要： 为了研究不同层间温度下增材制造结构的组织性能,以ER307不锈钢焊丝为填充材料,通过GMA电弧增材技术堆焊了双道多层薄壁墙结构,采用金相显微镜、显微硬度仪和扫描电镜对比研究了不同层间温度下电弧增材结构的显微组织及力学性能。结果表明,150℃和220℃两种层间温度下,试样的显微组织均由γ-Fe和δ铁素体组成,平衡凝固区显微组织纵向由底到顶分别为柱状晶、枝晶和等轴晶,其中等轴晶区域显微硬度较高;试样平均抗拉强度均大于600 MPa,纵向综合力学性能略高于横向,未出现明显各向异性。随着层间温度的降低,平衡凝固区底部区域柱状晶和顶部区域等轴晶尺寸逐渐减小,中部区域枝晶偏聚现象得到改善,相邻热影响区受枝晶连接且取向差异降低,显微硬度均匀性得到改善,纵向塑性、韧性有所提升,其中层间温度为150℃时,构件的屈服强度和延伸率较层间温度为220℃时分别提高29 MPa和4.3%。

关键词： 冷金属过渡   电弧增材制造   高强钢   焊道形貌   拟合函数  

摘要： 通过试验系统性研究了冷金属过渡电弧增材制造时焊接速度与送丝速度对高强钢焊道几何轮廓的影响规律,利用光学显微镜表征不同工艺条件时焊道几何尺寸及截面轮廓特征。建立焊接速度、送丝速度与焊道轮廓间的关联关系,确定合适的工艺参数窗口。基于MATLAB软件平台编写包含图像处理、轮廓提取与曲线拟合等功能在内的成套程序,将焊道轮廓测量结果与抛物线、椭圆、圆与余弦函数等拟合模型进行比较。结果表明,相比焊接速度,送丝速度对焊道轮廓的影响更大。随着送丝速度的增加,焊道轮廓由窄高状变为扁平状。抛物线对于窄高状焊道拟合效果最佳,而当焊道截面呈扁平状时,椭圆模型与试验数据吻合程度最高,为后续电弧增材制造部件控形提供支持。

关键词： 马氏体时效钢   超声冲击   电弧增材制造   微观组织   力学性能  

摘要： 针对电弧增材制造马氏体时效钢存在粗大树枝晶微观特征导致较差力学性能的现象,采用超声冲击辅助电弧增材制造18Ni-350马氏体钢直壁体,研究超声冲击对微观组织、力学性能的影响。结果表明,超声冲击可以抑制粗大树枝晶形成,改变晶粒生长形态,细化晶粒。相比于直接沉积试样,超声冲击辅助试样中奥氏体的含量几乎不变,但其尺寸明显减小并更均匀。除此之外,直接沉积试样观察到Ni3Ti的析出相,而超声冲击试样中未观察到析出相。经过固溶时效热处理后,超声冲击件的微观组织产生再结晶现象,其横向、纵向抗拉强度分别达到2079.5 MPa和2109.5 MPa,极限伸长率达到6.95%。超声冲击试样的力学性能要优于直接沉积件,超声冲击对时效硬化响应效果更为显著。

关键词： 电弧增材制造   层间冷却   研究进展   近浸式主动冷却  

摘要： 电弧增材制造作为一种快速、灵活、高效的制造技术,广泛应用于航空航天、汽车、医疗等领域。然而,由于加工过程中产生的高温对构件质量和性能造成不利影响,层间冷却技术成为解决这一问题的有效途径之一。对电弧增材制造中层间冷却技术的研究现状进行了综述。首先,介绍了电弧增材制造技术的基本原理和工艺特点,重点阐述了加工过程中产生的热应力、热裂纹等问题。其次,综述了目前常见的层间冷却技术,包括气体冷却、液体冷却和固体冷却等,对每种技术的原理、优缺点以及应用范围进行了分析和比较。最后,指出了当前研究中存在的不足之处,并展望了未来电弧增材制造层间冷却技术的发展方向。随着材料科学、传热学等领域的不断进步,层间冷却技术将更加智能化、高效化,为电弧增材制造的应用提供更广阔的空间。

关键词： 电弧增材制造   机器学习   多目标优化   2219铝合金  

摘要： 在电弧增材制造中,工艺参数之间存在复杂相互作用,难以寻找最优参数组合以获得最佳的成形质量与预期的几何结构。为了加速工艺参数优化过程,在3因素3水平全因素实验的基础上,明确了电流、送丝速度和扫描速度对熔道熔宽、熔高和稀释率的影响规律,建立了神经网络、支持向量机和高斯回归分析模型来预测熔宽、熔高和稀释率。对比分析表明,高斯过程回归模型对熔宽的预测性能最好,神经网络模型对熔高的预测性能最好,支持向量回归对稀释率的预测性能最好。基于这3种机器学习模型,采用多目标遗传算法(NSGA-II),实现了以熔宽和熔高最大、稀释率最小为目标的电弧增材制造多目标优化,最后对优化结果进行了实验验证。

关键词： 高氮钢   电弧增材制造   超音频脉冲电流   组织演变   力学性能  

摘要： 针对高氮钢增材过程中氮损失及力学性能降低等问题,采用常规脉冲熔化极气保电弧(Pulsed Gas Metal Arc,P-GMA)及在脉冲电流峰值阶段叠加超音频脉冲电流的P-GMA对高氮钢进行电弧增材制造实验,分别制备不同工艺参数下的单道多层高氮钢直壁体,研究超音频脉冲电流叠加对高氮钢电弧增材制造凝固方式、显微组织演变及力学性能的影响规律。研究结果表明:由于高氮钢在电弧增材过程中存在氮损失现象,不同增材模式下高氮钢金属熔池的凝固模式均由单相奥氏体凝固(A模式)转变为铁素体为先析出相、奥氏体依附铁素体界面析出(FA模式);相比于常规P-GMA,叠加超音频脉冲电流后P-GMA产生的高频超声效应能够提高氮元素的扩散,促进奥氏体相变,限制铁素体枝晶生长;经过对比分析,超音频脉冲电流对铁素体树枝晶Y轴方向的影响大于Z轴方向,对Y轴方向力学性能的影响也大于Z轴方向,当频率为60 kHz时Y轴方向抗拉强度提高了9.9%,屈服强度提高了15.9%。

关键词： 电弧增材制造   外场辅助   复合超声   高强铝合金   镍基高温合金  

摘要： 电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing,WAAM)作为一种低成本、高加工效率的先进制造技术,近年来发展迅速。高强铝合金和镍基高温合金因其独特优势,在航空航天领域得到了广泛应用,而且适合用电弧增材制造制备,受到了国内外学者的广泛关注。然而,电弧增材制造高强铝合金和镍基高温合金易产生气孔、柱状晶粗大,严重制约了其广泛应用。本文以固溶时效型ZL205A铝合金和IN718高温合金为研究对象,提出利用激光冲击和复合超声外场辅助改善其组织结构和力学性能,系统研究了外场辅助对电弧增材制造组织与力学性能的影响规律,揭示了其微观机制,不仅在各自合金中实现了显著的组织细化和性能提升,还通过对比分析外场辅助在两类材料体系中作用机制的异同,为外场辅助技术的普适性与适用条件提供了有力佐证。论文取得了以下创新性研究成果: (1)随热输入的增加,电弧增材制造ZL205A单道单层平直度降低、高度和宽度增加,组织以等轴晶为主,其尺寸随热输入和送丝速度的增加而增大;薄壁组织为α-Al基体和主要沿晶界分布的链状θ相,层内等轴晶细小均匀,层间大小不均。CMT脉冲模式可使尺寸精度提高9.9%,气孔减少59.9%,晶粒尺寸减小26.8%,抗拉强度提高18.7%;固溶时效可回溶θ相并析出θ'相,随固溶温度、时效温度和时效时间增加,强度先增加后减小;随固溶时间延长,强度降低。最佳工艺为535℃x10 h+175℃x4h。 (2)计算了激光冲击辅助电弧增材制造ZL205A薄壁残余压应力并用实验验证了其可靠性,残余压应力与峰值压力和冲击次数正相关,与光斑直径负相关;激光冲击增加表面粗糙度和位错密度,随激光能量增加作用效果增强;沿深度方向,随激光能量增加,晶粒细化程度、气孔闭合范围和位错密度提高。18 J时激光冲击效果最佳,气孔闭合深度达到1.33 mm,最表面晶粒尺寸降低12.6%、位错密度高达6.96×1014/m2;梯度硬度及其作用深度、抗拉强度与激光能量正相关,18 J时硬度最大值和抗拉强度分别为165 HV和489 MPa;疲劳寿命提高129.8%。 (3)提出了一种原位超声振动+层间超声冲击的复合超声辅助技术,成功研制并搭建了电弧增材复合超声辅助装置。随超声振幅的增加,复合超声对电弧增材制造ZL205A气孔消除效果显著增强,振幅为80 μm时,可获得无缺陷薄壁。复合超声有效减小晶粒尺寸和θ相含量,使顶部位错密度提高128.8%;抗拉强度和延伸率分别提高12.2%和12.9%,达到511 MPa和11.6%。 (4)电弧增材制造IN718组织为柱状晶γ基体、沿枝晶间分布的Laves相和少量δ相、MC碳化物。单道单层成形铺展度比ZL205A优异,宽度随热输入增加而增大,高度先降低后升高,组织均匀性先增加后减小;随热输入增加,薄壁尺寸精度、抗拉强度先增后减,硬度增大,最佳热输入为100 J/mm,横向和纵向抗拉强度分别为776MPa和791 MPa;固溶时效可有效回溶Laves相并析出γ"/γ'相,最优工艺为1100℃×60 min,横向和纵向抗拉强度分别可达1163 MPa和1288 MPa,延伸率分别为18.2%和20.7%,各向异性明显,纵向具有细小的截面晶粒、较低且分布均匀的Schmid因子、更高的应变硬化指数,表现出了比横向更高的强度。 (5)激光冲击辅助电弧增材制造IN718薄壁残余压应力和作用深度均与峰值压力和冲击次数正相关,随光斑直径增加,残余应力波动先减小后增加;激光冲击可诱导孪晶和层错,但柱状晶细化不显著,随激光能量和冲击次数增加,位错密度和硬度及其作用深度增加,抗拉强度和疲劳寿命先增加后降低,最佳工艺为15 J×3次,抗拉强度为1356 MPa,疲劳寿命提升84.7%。 (6)随原位超声振动振幅增加,电弧增材制造IN718柱状晶择优生长减弱,随层间超声冲击振幅增加,再结晶驱动力上升,最佳振幅均为80 μm,复合超声成功使晶粒由粗大柱状晶转变为交替分布的等轴晶和短柱状晶,固溶处理可使其完全等轴化;复合超声结合固溶时效处理,使室温抗拉强度和延伸率同时显著提高,分别高达1395 MPa和25.3%,650℃抗拉强度和延伸率分别达到1111 MPa和12.3%,综合拉伸性能显著高于目前其他增材制造,疲劳寿命提高5.0倍;复合超声辅助通过破碎枝晶和引入高密度位错,实现了晶粒等轴细化,提高了组织均匀性,消除了组织和力学性能的各向异性,使Taylor因子和应变硬化指数显著提高,实现了对强度与塑性的协同提高。