关键词： 7050铝合金   电弧增材   热变形   力学性能   显微组织   气孔缺陷  

摘要： 新兴的电弧增材制造技术能够成形复杂构件,具有制造柔性高、成形速度快、小批量成本低等优点。但是采用此技术制造的构件的尺寸精度低,内部组织不均匀,存在气孔、微裂纹等缺陷,导致电弧增材构件的力学性能较差、服役安全性低,难以满足航空工业产品的高标准要求,上述问题限制了电弧增材技术的应用范围。目前,单一优化电弧增材制造工艺难以使其性能出现实质性飞跃,有研究表明电弧增材构件进行热变形后性能提升明显,有望解决上述问题。本文以电弧增材7050铝合金为研究对象,通过Gleeble-1500D热力学模拟试验机对其在温度360℃-450℃、应变速率0.001 s-1-1 s-1、变形量20%-60%范围内进行热压缩试验。研究了温度、应变速率对热压缩过程中真应力-真应变曲线特征的影响规律,并建立了电弧增材7050铝合金热变形本构方程。通过光学显微镜、扫描电子显微镜设备分析了电弧增材7050铝合金热变形前后的微观组织特征。基于上述研究结果,通过DEFORM-3D软件,对电弧增材7050铝合金的等温成形过程进行有限元分析,分析其在等温成形过程中,等效应力、等效应变的分布特点。以电弧增材7050铝合金为坯料,进行等温成形试验。研究了电弧增材7050铝合金高温条件下的金属填充行为,以及等温成形及热处理后对电弧增材7050铝合金的组织性能的影响。本文研究表明:电弧增材7050铝合金材料内部存在许多气孔缺陷,通过高温热变形后,材料内部气孔缺陷明显改善。在变形温度420℃、应变速率0.01 s-1条件下,当变形量为20%,材料内部部分气孔愈合,当变形量为40%,材料内部气孔基本愈合。电弧增材7050铝合金热压缩过程发生临界动态再结晶的条件为变形温度T≥390℃,应变速率（?）≤0.1 s-1。电弧增材7050铝合金等温成形及固溶时效处理后,沿垂直方向的抗拉强度为246.9 MPa,提升了76%,延伸率仍然小于<1%。沿水平方向抗拉强度为570.1 MPa,提升了168%,达到了锻件标准,材料延伸率增长到3.9%。电弧增材7050铝合金等温成形及热处理后,沿垂直方向力学性能未达到预期的主要原因为,该处微观组织存在未完全愈合的气孔缺陷。

关键词： 超声振动   CMT电弧增材   2319铝合金   微观组织   力学性能  

摘要： 2319铝合金是典型的2系铝合金,具有高强度、良好的耐热性和焊接性,被广泛用于制造飞机蒙皮、航天火箭燃料槽等复杂零部件。冷金属过渡(Cold Metal Transfer,简称CMT)电弧增材制造技术可实现数字控制方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控,将其用于铝合金的增材制造具有低成本、高效率、灵活性好等优势,有望实现精密电弧增材制造,近年来备受关注。然而使用CMT电弧增材制造铝合金依然存在微观组织和性能各向异性调控机制未阐明、冶金缺陷控制和力学性能指标不足等问题。因此,研究基于CMT电弧增材制造成形铝合金组织和性能调控技术具有重要的科学意义和应用价值。本文首先采用传统CMT电弧增材工艺制备2319铝合金试样,利用金相、电镜、X射线衍射及拉伸试验机等现代分析测试技术对增材试样微观组织和性能各向异性进行研究。然后引入超声振动辅助,揭示不同超声振动参数对铝合金组织及力学性能的影响。最后通过固溶时效热处理,改善超声振动态2319铝合金力学性能。取得主要研究结果如下:直接沉积态2319铝合金试样的微观组织虽然不均匀,但晶粒形貌的演化过程具有规律性,每一阶段从上往下依次是枝晶区、熔合线和等轴晶区域,由枝晶逐渐向等轴晶过度。在引入超声辅助后,2319铝合金试样的等轴晶区域扩大,且晶粒细化,其平均晶粒尺寸大大减小。在超声功率1400 W时晶粒度由5.5级提升到6.0级,所制备的2319铝合金试样孔隙率最低,有少量仍残留于晶区交界处,其最大气孔尺寸仅50μm左右。然而当超声振动功率超过一定阈值时,部分等轴晶晶粒会转变为粗大等轴晶,气孔缺陷反而增多,导致试样中存在很多大小不一的气孔缺陷。在拉伸性能方面,引入超声振动后的力学性能,2319铝合金增材试样各向异性降低,表现为各向同性,平均抗拉强度,屈服强度和延伸率分别提高8.5%、13%和22%,断口形貌呈现韧性断裂。针对2319铝合金进行不同制度热处理工艺探究,经过T6热处理后,CMT电弧增材2319铝合金试样在晶间和晶内的第二相颗粒基本消除,α-Al晶粒均匀化,随着固溶温度的增加,α-Al晶粒稍微增大,同时固溶温度的增加也会导致过烧倾向增大。T6热处理后Al基体中Cu含量达到了5.69wt.%,已经接近Cu在Al中的极限固溶度5.7%,由于2319铝合金焊丝中Cu的含量为6.36%,已经超过Cu在Al中的极限固溶度,导致一部分Cu原子无法溶解,仍以θ相(AlCu)的形式存在于合金中。1400W超声振动功率下2319铝合金试样T6态处理后的拉伸性能与工业2219铝合金T6态热处理非常接近,而且延伸率高于2219铝合金T6态热处理,与引入超声振动且未热处理的2319铝合金试样相比抗拉强度和屈服强度分别提高48%和103%,延伸率降低20%。

关键词： 增材制造   316不锈钢   低功率脉冲激光诱导TIG电弧   微观组织  

摘要： 316不锈钢因其良好的耐蚀性能和优异的高温力学性能在航空航天、压力管道、汽车、轮船及军工等领域得到广泛应用。316不锈钢传统的加工方式容易造成材料浪费且工序繁杂。316不锈钢增材制造与传统的减材制造工艺相比,大大缩短了工时、且最大限度地节省了原材料。但因316不锈钢热导率低、流动性强,使316不锈钢增材制造构件成形难度增加。低功率脉冲激光诱导电弧是一种以电弧为主要能量的新型热源,低功率激光作为辅助热源对电弧起到诱导和增强的效果,可以稳定增材过程,提高成形质量和成型效率,具有很强的前瞻性和实用性。以TIG电弧和低功率脉冲激光诱导电弧作为热源分别增材出1到8层单道墙体。宏观形貌显示加入激光后,墙体宽度减小,墙体宽度增加。微观组织结果显示,脉冲激光的加入并没有生成新相,也不会改变墙体凝固模式,但是脉冲激光的增强搅拌作用会提高组织的均匀性,使得晶界数得到增加。脉冲激光的加入使得热输入增大,会加快奥氏体向铁素体转变的过程,提高重结晶率。显微硬度测试显示低功率脉冲激光的加入会均匀组织,从而提高显微硬度。采用低功率脉冲激光诱导电弧耦合热源分别制造1到8层单道墙体,对每个墙体底层、中间稳定层、顶层部位进行微观组织检测。底层组织由胞状晶和胞状树枝晶组成,凝固模式为A模式。在后层热处理作用下,底层晶粒平均增长5μm。墙体中间层组织均由树枝晶构成,一次枝晶间距约为16μm,凝固模式为FA模式。各墙体顶层组织由等轴枝晶构成,凝固模式仍为FA模式。低功率脉冲激光诱导电弧8层增材墙体的显微硬度值整体呈现先减小后缓升的趋势,硬度值在187HV-233HV之间浮动,δ铁素体析出在晶界或晶内可起到强化组织的作用。最后,采用低功率脉冲激光诱导电弧沉积单道墙体,对墙体不同凝固条件下的拉伸性能以及不同取样方向的拉伸性能进行探索。研究表明,凝固条件为FA模式的墙体顶部的抗拉强度最大,为583.3Mpa,伸长率为42%。凝固条件为FA模式的墙体中部抗拉强度稍小,为566.7Mpa,伸长率可达45%。墙体底部抗拉强度较高,为578.3Mpa,但伸长率较差,为38%。不同方向拉伸试样力学性能呈现各向异性,斜45°试样伸长率可达60%,但抗拉强度较低,为516.7Mpa。垂直拉伸试样抗拉强度为528.3Mpa,伸长率为43%。

关键词： GMAW电弧增材制造   温度场   流场   熔池形貌   外加磁场  

摘要： 随着电弧增材制造的应用前景愈发可观,为了提高生产效率,减少材料损耗,对于电弧增材的需求也愈发明显。在电弧增材制造过程中,随着熔积层数的增加,热积累使得熔积层的两侧液体金属下淌,造成熔积层形貌差,尺寸精度低。磁控技术通过施加非接触电磁力作用于熔池中,改变液态金属的受力情况和热输入变化,从而达到调控熔池成形,改善熔积层形貌的目的,因此将磁场用于电弧增材制造中具有重要意义。本文研究了外加纵向磁场对GMAW电弧增材制造熔池传热与流体运动的影响,提出在何种磁场条件下形成有利的熔积层形貌,为提高增材成形质量提供理论依据。 建立低碳钢GMAW熔池三维数值模型,分析焊接电流、焊接速度以及送丝速度对熔池传热以及流动行为变化规律。当焊接电流和送丝速度增大时,增大了熔池热输入和流速,熔池尺寸以不同程度增大,熔池尾端的后拖现象愈发严重,且熔池前沿的凹陷范围逐渐变大。而焊接速度的提高,减少了熔池热输入和流速,熔池尺寸逐渐减小,熔池的后拖现象呈现先加强后减弱的趋势,熔池的横截面形貌由扁平状变为椭圆状再变为半圆状。 磁场的加入改变了熔池表面的热流密度分布和流体流动行为,降低峰值温度,增大流动速度,随着磁场强度增加,等温线逐渐向-Y方向偏移,在旋转离心力作用下,高流速区域的最大偏移距离为1.67mm(-y)。在0.03T时,倾角从无磁场的9.36°降至最低8.93°,此时熔池形貌最为平缓。然而,在0.04T时,更多的液态金属沿着切向流动,倾角转而突然增大至9.85°,横截面形貌向左侧倾斜,呈现不对称现象。磁场对熔池稳定性的影响规律反映为熔宽先增大后减小,熔长先变长后缩短,熔深先减小后增大,且熔长的变化要先于熔宽的变化。 与单向成形相比,往复成形的熔积层两端高度差均在0.1mm以内。在两种成形方式下,随着熔积层数的增加,外加磁场减缓了层间的热量累积,只有当磁场强度保持在0.01-0.03T时,随着磁场强度的增大,熔池的形貌变得愈发平缓,在0.03T时,形成最平缓的曲面形貌,有利于后续材料的堆积。而磁场强度达到0.04T时,熔积层横截面向左侧倾斜,熔积层形貌变得陡峭,不利于后续材料的堆积。通过GMAW工艺试验对比焊接过程的热循环曲线和熔池尺寸,误差均控制在10%以内,模拟结果很好地对应了实际情况,验证了数值结果的准确性。

关键词： 电弧增材制造   船用钢   活性剂   热处理   铣削加工  

摘要： 采用电弧增材制造技术成形大型金属零部件时,由于其材料利用率高、加工成本低、成形效率高等优势,已经越来越受到国内外学者的广泛关注。但是利用电弧增材制造技术制备出来的试件精度比较低、表面粗糙,不能直接运用到实际生产当中,需要经过后期的铣削加工才能应用,且试件性能也有待改善。因此,本文以电弧增材制造技术为研究对象,低碳钢焊丝为沉积材料,对成形的基础工艺进行了研究,制备了全致密的船用钢试件,利用添加活性剂和热处理细化成形件内部晶粒、改善力学性能;并对电弧增材制造成形的试件进行铣削加工,获得了表面平整、光滑的试件。本文的研究内容包括以下几个方面。(1)基础工艺和路径规划的研究。首先采用控制变量法,研究了不同电流、沉积速度以及电压对单道宏观形貌的影响。然后研究了成形方式、层间等待时间、焊枪抬升高度和熔道间距对成形的影响。实验证明多层单道合理的层间等待时间为30s-50s;对于焊枪的抬升量本文提出了误差消除法,对于层数较多的沉积试件能大幅提高沉积件的精度;熔道间距为2W/3时能够成形较好的单层多道。(2)活性剂添加和热处理改善试件的性能。首先研究了添加Ca F和Ti O对单道宏观形貌和熔深的影响,发现添加这两种活性剂会降低单道表面的形貌质量,但是会加深单道的熔深。然后研究了添加Ca F和Ti O对试件微观组织产生的影响。经过测量,未添加活性剂下晶粒的尺寸和晶粒长宽比分别为8.35μm和0.88,添加Ca F和Ti O后晶粒尺寸和长宽比分别为9.04μm、0.86和8.48μm、1.13。最后对三种工艺下的成形件做了拉伸性能测试,添加活性剂后试件的延伸率最大提高了8%,强度上没有得到提升,这可能是试件表面涂覆的活性剂不均匀导致的。由于添加活性剂后试件的强度没有得到提升,所以接下来采用热处理的方式继续改善试件的强度。在520℃的退火处理下试件的晶粒尺寸和长宽比为6.87μm和0.87。在650℃的退火处理下试件的晶粒尺寸和长宽比为7.8μm和0.99。在800℃的正火处理下试件的晶粒尺寸和晶粒长宽比分别为8.88μm和1.01。通过热处理后强度最大提高了7%,延伸率提高了25%。(3)电弧增材制造零部件的铣削加工。首先利用优化工艺参数成形齿轮和叶轮零件,但是制备出来的零部件表面较粗糙,因此需要对零件进行复合铣削加工,去除试件表面比较粗糙的部分。经过计算,电弧增材制造的零件的材料利用率在82%-84%,这也证明了增材制造技术在材料利用方面的独特优势。

关键词： 电弧增材制造   双填丝   AC交叉电弧   梯度功能材料   微观组织  

摘要： 电弧增材制造技术是依靠焊接电弧把离散材料逐点逐层累积叠加形成三维实体的技术,与传统铸造、冲压等工艺相比,可以大大减小生产成本,较少材料浪费以及缩短研发周期。为了进一步提升电弧增材制造生产效率,电弧增材制造生产过程不断向自动化、智能化方向发展,特别是在原有的焊接基础上,开发新的高效焊接工艺,从焊接方法本身提升熔覆效率。针对目前工业更高效率的需求,提出了在堆垛时采用两根焊丝作为填充物,并且在两根丝之间加交流电的工艺来提高熔覆效率的方法,进行堆垛墙的制备。针对主弧电流、交流电电压与送丝速度等变量对其工艺方法进行分析,观测了这些参数对增材制造过程中熔滴过渡行为的影响。并且在该方法的基础上提出了采用双丝AC交叉电弧增材制造的方法进行梯度功能材料的制备,分析了堆垛层成形、微观组织以及力学性能的变化规律。在双丝AC交叉电弧增材制造工艺研究的过程中,首先搭建了双丝AC交叉电弧增材制造试验平台,在不锈钢基材上进行不锈钢双丝单道单层熔覆试验,分别对主弧电流、送丝速度比和交流电电压对双填丝工艺进行研究,探究这些参数对成形、热循环曲线等参数的影响。同时进行了双丝AC交叉电弧增材制造熔滴受力分析,讨论了不考虑主弧与交叉电弧相互作用下熔滴受力情况,在此基础上,结合所采集的电流电压与熔滴过渡过程来分析熔滴过渡模式。结果表明:主弧电流、送丝速度比和交流电电压对熔覆成形都有较大影响并最终确定主弧电流为80A,交流电压为48.4 V,两根焊丝送丝速度都为110 cm/min时,为最佳工艺参数。双丝AC交叉电弧由一个主弧和一个交流电弧组成,当丝间电压较高或电阻较低时,更容易形成稳定的电弧,此时交流电对熔滴过渡影响更大。由于受交叉电弧的电磁力影响,主弧周期性摆动,周期为50Hz,可以对熔池进行搅拌,细化晶粒,改善堆垛层质量。熔滴过渡周期和熔滴大小都与送丝速度呈负相关关系;随着交流电压的增大,左侧焊丝熔滴过渡周期与熔滴过渡直径都变大,右侧焊丝熔滴过渡周期与直径都减小,这是由于两个熔化极之间的电弧力变化造成的。在双丝AC交叉电弧增材制造的基础上,采用了异种丝材作为填充物进行梯度功能材料的制备并对钛合金进行了强化,同时对梯度钛合金材料电弧增材制造的单道单层、单道多层堆垛墙进行参数优化,得到了成形均匀、连续,没有明显缺陷的堆垛墙。在此基础上研究了不同送丝速度配比时,试样的组织及性能变化。结果表明:交流电的加入可以使主弧进行周期性摆动,且起到搅拌熔池的作用,一定程度上改善了成分不均匀的情况。结合EDS可知堆垛层内Ni元素均匀分布在枝晶上,在凝固过程中,Ni元素与Ti元素发生共析反应,生成TiNi金属化合物,并在冷却过程中保留下来。通过XRD可知堆垛层内主要由α-Ti、Ti Ni和TiNi组成。Ti Ni和TiNi的同时存在可以提升堆垛层的强度和韧性。随着lnconel 625送丝速度的增加,堆垛层的硬度也逐层增加,其硬度值可以达到600HV,比基材的硬度提高300HV,堆垛层抗压强度也有较大提升达到了27KN。摩擦磨损试验中,lnconel 625送丝速度较快的区域呈现出较小的磨损区域,通过异种焊丝增材制造可以明显提升堆垛层表面的耐磨性。

关键词： 镁合金   电弧增材制造   机器人摆动电弧   成形优化   力学性能  

摘要： 针对中等厚度镁合金电弧增材成形中,多层多道增材构件层高不一致和道宽不均匀的问题,基于交流钨极氩弧工艺,对机器人摆动电弧的核心摆动参数与AZ31B镁合金多层多道成形的关系进行了深入研究,论文拟引入响应曲面法,设计摆动参数二次回归通用旋转组合试验方案,进行了镁合金单道成形和多道增材层成形的机器人摆动电弧增材试验研究,力图获得镁合金AC-TIG机器人摆动电弧多层多道增材成形的控制规律,并为大尺寸镁合金电弧增材成形中摆动参数的选择提供支撑。首先进行摆动参数与镁合金单道增材成形关系的研究,建立了摆动参数与单道成形尺寸间的回归模型,借助响应曲面法分析得到:在摆动参数窗口内,对单道成形尺寸存在显著影响的是摆动幅度和摆动频率间的交互作用（Wd×f）以及摆动幅度和行进速度间的交互作用（Wd×vw）。Wd×f能协同促进熔宽及其单位变化量的增大,Wd=4.68mm且f=3.34Hz时,熔宽达到22.91mm;f<2.5Hz时,熔深随着Wd的增大而减小;f>2.5Hz时,层高和润湿角随着Wd的增大而减小。Wd×vw对熔深和波谷高度影响显著,熔深和波谷高度的最大值和最大变化量均在Wd=1.32mm且vw=13.18cm/min时得到。基于回归模型,优化得到镁合金单道成形的摆动参数为:摆动幅度2.98mm、摆动频率2.15Hz、停留时间0.35s和行进速度30.19cm/min。其次研究了工艺参数与镁合金多道增材层成形特征参数的关系,建立了工艺参数与多道成形特征参数间的回归模型,使用响应曲面法分析发现:表面平整度在各交互作用的影响下均先增大后减小,最大值均在零水平区域取得;当偏移量d>11mm时,选择Wd<3mm、停留时间tw<0.3s或vw>30cm/min都能降低波峰平均高度差;波峰平均高度在tw=0.5s且vw=20cm/min时取到最大值4.70mm。使用建立的回归模型,优化得到的镁合金多道增材工艺参数为:摆动幅度2.56mm、摆动频率2.5Hz、停留时间0.3s、行进速度30cm/min和偏移量11.46mm。最后采用优化后的多道增材工艺参数,进行镁合金多层多道增材构件的堆覆。增材构件的显微组织呈层状分布,层间界面区的显微组织主要为细小柱状枝晶、粗大柱状枝晶和粗大等轴晶。道间界面区的显微组织包括长条形等轴晶、粗大等轴晶和细小柱状枝晶。力学性能检测结果显示,增材构件水平方向的拉伸性能最好,平均抗拉强度达到241MPa,平均延伸率与标准水平相比提升了86%。水平方向的显微硬度值呈周期性变化,竖直方向的显微硬度值在60～100HV范围内上下波动。

关键词： 电弧增材制造   热变形   路径优化   同步冷却   无支撑结构  

摘要： 近年来随着我国在航天、航空、船舶、汽车等制造领域的高速发展,大型化、轻量化、复杂化的金属构件正受到广泛应用。与传统制造工艺相比,电弧增材制造技术具有生产效率高,加工成本低以及成型性能良好等特点。本课题针对H13热作模具钢电弧增材制造过程中的成形过程与变形问题展开研究,提出路径优化与同步水冷的变形缓解措施,并使用固有应变理论分析变形产生与缓解的机理,为大型结构件变形缓解的工程应用提供理论依据。采用实验方法研究H13模具钢电弧增材制造过程中不同的扫描路径对构件温度场与变形的影响。制备了顺序路径、对称路径、In-Out路径与Out-In路径四种扫描方式沉积的块体构件,研究结果表明电弧增材制造过程中,不同扫描模式下增材制造构件的温度有显著差别。Out-In扫描模式下基板中心有最高的峰值温度,顺序扫描模式下温度变化最为剧烈。采用Out-In与In-Out扫描路径,基板中心区域熔敷道有缓解变形作用;顺序扫描与对称扫描模式进行沉积时,随着温度梯度的增加,构件积累变形量逐渐增加。采取Out-In模式扫描方案对应的变形量最小,为20.38 mm,相比于顺序扫描下降了68.6%。其原因为其主要原因为:(1)Out-In扫描模式下基板温度场呈对称分布,有利于热量朝多个方向散失进而降低基板的温差△T;(2)Out-In扫描模式横向熔敷道的存在导致基板对中性轴(即x轴)的惯性矩增加,进而增加了结构的弯曲刚度,提高了抗变形能力。以水冷卡具、变功率水泵、恒温水箱为主体搭建了同步水冷系统,通过改变冷却水流量、水温等冷却条件,研究了同步水冷技术对电弧增材制造薄壁件成型精度、成型速率与挠曲变形的影响。研究结果表明,与空冷相比,使用25℃的常温水对WAAM过程进行冷却可以节省83%的制造时间,最大可以缓解83%的挠曲变形。在此基础上,采用电弧增材制造方法制备含有内部流道的金属构件。研究了无支撑水平薄壁的宏观尺寸与沉积工艺参数与焊枪倾角之间的关系,随着热输入的增加壁厚逐渐增加;随着焊枪倾斜角的增加,电弧力在重力方向的分力变大,薄壁自身的自支撑作用不足以平衡竖直方向的合力而发生流淌。WAAM技术可以胜任含有随形流道的零件的制造,但受限于电弧增材制造单条焊道尺寸,使用WAAM技术制造零件在制备过程中需要考虑中间和后续的精加工过程,需要留出足够的加工余量由于后续的铣削等机加工操作。