关键词： 电弧增材制造   冷金属过渡   Inconel 625   微观结构   力学性能  

摘要： 镍基625合金(Inconel 625)具有良好的力学性能,较高的抗氧化、抗腐蚀性能,是制造航空航天发动机高温部件的关键材料之一。基于冷金属过渡的电弧增材制造技术,相比于其他增材制造技术具有设备成本低、效率高以及适合沉积体积较大的零件等特点,是最有希望实现低成本、高效率地制造性能优异的Inconel 625的方法之一。本文利用该技术,制备Inconel 625单道次沉积层和多道次薄壁体,研究了工艺参数对单道次沉积层成形影响,表征了多道次薄壁体组织、织构和力学性能的典型特征,探索了工艺参数对微观结构和力学性能的影响规律。主要研究结果如下:(1)明确了单道次沉积层在增材制造过程中工艺参数对沉积层成形的影响规律。首先,沉积层的熔宽、余高均与线能量密度(Linear Energy Density,LED)成线性关系,熔宽随着线能量密度的增加而增加,余高随着线能量密度的增加而增加,当175织构,熔池内部晶粒的生长轴与择优生长方向<001>以及温度梯度的方向基本重合,形成贯穿层边界的粗大柱状晶,主要是因为沉积热量沿着BD反方向通过基板散热,为粗大柱状晶的生长提供有利条件。此外,送丝速度的增加(行进速度减小),会造成线能量密度增加,沉积层冷却速度减小,因此柱状晶的尺寸逐渐增加;而且在沉积过程中,由于线能量密度的增加,导致层边界处满足再结晶条件的区域变大,层边界处再结晶小晶粒的数量增加,进而导致沿着BD方向的织构强度逐渐减弱。(4)Inconel 625多道次薄壁体从底部到顶部显微硬度呈现递减的趋势。沿着行进方向(Travel Direction,TD)拉伸实验结果表明底部屈服强度和极限抗拉强度均优于顶部,BD方向试样处于二者之间,但BD方向试样均匀延伸率明显高于TD方向。随着送丝速度的增加,BD方向的屈服强度升高,这与层边界处细小晶粒增多由关;TD方向的屈服强度缓慢降低,均匀延伸率缓慢增加,主要是因为晶粒变得粗大,TD方向晶界减少。随着行进速度的增加,BD和TD方向的屈服强度及极限抗拉均增加,均匀延伸率没有明显变化。

关键词： WAAM   缺陷检测   深度学习   目标检测  

摘要： 电弧金属增材制造技术（WAAM）是一种先进的新型工业生产技术,它被广泛应用于不同的制造业当中。为了更好的实现全自动化的生产流程,及时发现并完成对缺陷的修补以免影响最终成形件的质量,WAAM需要一个可靠的、高效的并且全自动化的缺陷检测系统对生产过程进行实时检测。最近几年,深度学习在计算机视觉领域完成了飞跃式的进步,尤其在目标检测领域突破了关键瓶颈技术并在逐步替换传统算法。但由于WAAM实际生产中出现的复杂的缺陷类型和嘈杂的检测环境,各经典算法在其缺陷检测的应用中存在准确率不足的问题。本文在目标检测算法YOLOv4的基础上针对WAAM中缺陷的特征对模型算法进行定向优化,提出了一种基于深度学习的新型WAAM表面缺陷自动检测方案YOLO-attention,实现了在WAAM生产过程中对焊道中的孔洞、咬边和凸起进行实时快速准确的缺陷检测。考虑到缺陷检测的背景噪音较多,并且缺陷的特征表现并不明显,本文主要从模型的三个方面对算法进行优化改进:在模型主干网络中采用了基于通道的注意力机制,在特征融合FPN中添加了多空间金字塔池化（multi-SPP）的结构,在训练阶段采用了平均指数移动（EMA）的策略。为了验证其有效性,本文以实验和项目中的缺陷数据为基础建立了一个包含760张相关图像的WAAM缺陷数据集作为实验依据,其中包含了8499个被标记的目标,并通过大量的实验验证得到本文的模型在每秒大约42帧（采用NVIDIA Ge Force GTX 1080Ti作为硬件加速器）的效率下获得了94.5%的平均精度（m AP）,其中模型对各种缺陷的检测准确率均在90%以上。这一结果证明了本文模型在实际工业生产中应用的可行性及其对WAAM中细小缺陷检测的准确性,并且作为一种基于视觉的优化方法论,该模型算法有可能在后续的实时缺陷检测系统的研究中得以实现和发展。

关键词： 电弧增材制造   微观组织结构   疲劳试验   裂纹萌生及扩展  

摘要： 电弧填丝增材制造(Wire+arc additive manufacturing,WAAM)是金属零件制造中最常见的增材制造工艺之一。WAAM是以电弧作为热源将焊丝熔化,采用逐层沉积的方式实现零件快速成形。但是增材制造结构件由于多次热循环的相变组织应力和大梯度温度的热应力会引起残余应力和成形缺陷,例如气孔和硬化颗粒等。因此,探索增材制造部件的微观结构、疲劳小裂纹的萌生和扩展规律对于保证增材部件的可靠性及安全性具有重要意义。本文采用试验和理论相结合的方法,对5356铝合金电弧增材件进行了以下内容的研究:首先,对5356铝合金电弧增材件选择最优工艺参数进行了成型制造,对其进行金相观察,发现了5356铝合金电弧增材制造件呈周期性结构变化,将其分为层间和层内两个区域。采用JEOL JEM2100的透射电子显微镜对5356铝合金电弧增材制造件进行了透射电镜(TEM)试验,发现了铝合金增材制造件在堆积状态下金属的组织主要由白色的α(Al)相基体和黑色的β(Al3Mg2)相组成。对其原始试件和疲劳破坏试件断口处进行了位错密度分析。发现了层间的位错密度是小于层内的位错密度,疲劳断口处的位错密度是明显的高于疲劳断裂前的位错密度。其次,采用MTS-858电伺服疲劳试验机对5356铝合金电弧增材件进行了应力比为-0.3下的恒幅加载的连续疲劳试验及中断疲劳试验,获得了不同应力水平下的疲劳寿命及表面裂纹扩展形貌。发现了铝合金电弧增材疲劳试件属于多裂纹扩展,应力比为-0.3的情况下初始裂纹长度在70μm左右,有80%左右的裂纹萌生于硬化颗粒处。试件微观图上发现,主裂纹萌生于试件的边缘处或者次边缘处,随着循环载荷的增加,裂纹两端同时扩展,并且裂纹的宽度在不变的增加。从试件的宏观图上发现,最终裂纹产生于试件边缘,导致整个试件产生损伤,造成疲劳断裂破坏。此外,采用超声无损检测技术,对5356铝合金电弧增材制造件疲劳损伤进行表征。分别对相同位置不同疲劳损伤状态下和不同位置相同疲劳损伤状态下的超声非线性参数进行分析。发现了在相同位置不同疲劳损伤状态下,非线性系数随着疲劳损伤的增加,非线性系数是不断增加的。在不同位置相同疲劳损伤状态下,主裂纹区域处的非线性系数与其他区域的非线性系数相比是最大的。因此,非线性系数可以作为描述疲劳损伤的参数。最后,考虑层间和层内晶粒尺寸和硬度不同的影响,基于Elber裂纹闭合效应,修正了有效应力强度因子,建立了适用于铝合金电弧增材件的疲劳寿命预测模型。

关键词： 电弧增材   遗传算法   轮廓优化   铣削   复合加工   路径规划  

摘要： 焊铣复合加工结合了电弧增材制造和铣削减材制造的优势,可以加工出结构复杂,尺寸精度高的金属零件。目前焊铣复合加工的零件在质量和精度上存在着一些问题,本文通过对焊铣复合加工中所涉及的电弧增材、铣削减材及焊铣复合制造的路径规划问题进行相关研究,以提升产品的质量和精度。主要研究内容如下:(1)基于起弧熄弧次数最少的层内焊道路径规划。针对电弧增材制造过程中起弧熄弧次数较多引起工件质量下降的问题,将层内焊道路径规划问题转化成不回到起点的旅行商问题,使用遗传算法寻找最优解。将层内行切线段进行分区得到一系列子区域作为染色体基因,同时将基于贪心算法的定向变异算子引入到遗传算法中,得到了优化的层内焊道路径,减少了起弧熄弧次数。最后通过不同算法的对比分析,验证了本文算法的高效性和有效性。(2)基于焊道相容性的切片轮廓优化。针对电弧增材制造过程中内部焊道与边界发生过熔覆或欠熔覆的问题,首先对焊道间距进行优化,然后根据层内行切线段与内外轮廓的几何关系对内外轮廓进行改变,最后将各层改变后的轮廓进行合并,得到优化的内外轮廓,减少了过熔覆或欠熔覆现象的发生。(3)基于网格模型的铣削路径规划。针对铣削减材过程中将增材制造切片数据作为铣削刀触点路径导致铣削质量较差的问题,首先将STL模型的内外壁提取出来进行重新切片处理,获得切片厚度较小的用于铣削的切片数据,然后对切片数据进行优化(包括冗余数据去除,曲线段区域B样条拟合,等参数直线逼近获得离散点等)得到光顺的刀触点路径,最后将刀触点路径根据设置的工艺参数进行分批多次偏置得到优化的铣削路径,极大提高了铣削的质量。(4)复合路径规划实现及实验分析。确定了焊铣复合加工路径的生成原则,开发了面向焊铣复合加工的CAM软件,通过焊铣复合加工打印工件的实例验证了本文算法的有效性和鲁棒性。

关键词： 电弧增材制造   钛合金   超声冲击   微观组织   力学性能  

摘要： TC4作为一种比强度高、耐热性好的钛合金,在航空发动机等领域占据重要地位,但由于电弧增材制造钛合金有着高热输入量及温度梯度的问题存在,导致增材制造的钛合金制件易产生粗大柱状晶,影响钛合金制件的综合性能。本文采用低热输入量的CMT电弧增材制造技术与超声冲击技术相结合,对CMT电弧增材制造TC4钛合金组织和性能进行研究。获得的主要结论如下:当热输入量为4493J/cm时钛合金组织中出现外延生长的β柱状晶,β晶界形成了容易引起力学各向异性的块状α相;当热输入量为3220J/cm时,钛合金组织中没有观察到柱状晶贯穿多个沉积层外延生长的情况,出现长宽比较小的等轴晶。沉积态试样水平方向抗拉强度为940MPa,垂直方向抗拉强度为836MPa,各向异性比为11%,造成两个方向上较大的各向异性比是由于微观组织的不均匀所致。当超声振幅为60%时,CMT电弧增材制造钛合金试样宏观成形最佳,晶粒最小直径达到0.87mm。网篮组织中存在较小长宽比的α板条,α板条宽度随着沉积层数的增加而逐渐变大,最大的α板条宽度达到1.3μm。拉伸试样为韧性断裂及脆性断裂混合的断裂方式,垂直方向抗拉强度为1026MPa,水平方向抗拉强度为1001MPa,各向异性比为2.5%。超声冲击头对钛合金沉积层进行高频冲击,在钛合金试样顶层中出现厚度为32.7-51.1μm的塑性变形层,超声冲击温度影响着塑性变形层厚度,超声冲击温度越高,塑性变形层越厚,金属塑性流动越剧烈。当超声冲击温度为950℃时,塑性变形层厚度达到51.1μm,微观组织出现短条状、细小的α相,其特征为β晶粒逐渐变窄变扁,沿着平行于基板方向变形流动,片状α相逐渐碎化,呈现出短棒状与点状交织的特点。

关键词： 铝合金   电弧增材再制造   横向磁场   成形精度   组织性能  

摘要： 近些年来,随着先进制造业的快速发展,越来越多的零部件采用高性能、高可靠性、轻量化的整体结构,从而达到降低成本、节约能源和拓展应用领域的目的。作为轻质合金的铝合金材料,因具有密度低、比强度高、导热导电性好、加工性好、耐腐蚀性强、焊接性好和价格低等特点,在工业制造领域得到了广泛应用。但随着服役年限的增加,大量铝合金零部件出现了不同程度的损伤,需通过先进的再制造技术进行修复。为了提高装备铝合金的修复精度和性能,本文研究了铝合金电弧增材再制造过程中外加横向磁场对成形精度和组织性能的影响。本文采用正交试验法研究了各工艺参数对单道焊道的余高、熔宽和熔深等几何尺寸的影响。结果表明,在无磁场条件下,熔敷速度对焊道余高的影响较明显,送丝速度对焊道熔宽和熔深的影响较明显;在磁场条件下,熔敷速度对焊道余高的影响较明显,励磁电流对焊道熔宽的影响较明显,送丝速度对焊道熔深的影响较明显。此外,外加横向交变磁场可以明显降低焊道的润湿角,改善了焊道的润湿铺展性能。本文研究了磁场对电弧增材成形精度的影响。结果表明,当磁场强度在一定范围内时,随着励磁电流和频率的提高,熔敷层表面精度逐渐增高。当励磁电流为11 A、励磁频率为14 Hz时,熔敷层表面平整度最高为0.1095 mm。超过此范围外后,熔敷层表面出现焊瘤,表面质量明显下降。本文提出了采用多项式函数曲线对焊道轮廓进行拟合。同时,基于平顶搭接模型计算出最优的搭接量并进行试验验证。结果表明,采用多项式函数曲线可精确地拟合焊道截面轮廓;在无磁场条件下时,熔敷层中产生了搭接空隙和大量气孔,导致熔敷层致密度较低。通过调控磁场参数对焊道形态进行优化后,熔敷层中的搭接空隙消失、宏观气孔数量减少和尺寸减小,致密度也得到了显著提升。本文研究了磁场对铝合金电弧增材成形组织与性能的影响。结果表明:熔敷层组织中主要以α（Al）相和β（Al3Mg2）相为主;磁场作用下,由于电弧对熔池的搅拌作用,组织中粗大柱状晶被打断,晶粒尺寸明显细化。在励磁电流为11 A、励磁频率14 Hz时,平均硬度达到最大值83.9 HV0.1;在励磁电流为8 A、励磁频率为14 Hz时,试样的拉伸性能最好,增材横向方向的平均抗拉强度最高可达275.7 MPa,最大延伸率为21.9%,增材纵向方向的平均抗拉强度为254.3 MPa,延伸率为26.7%;通过磨损形貌和磨屑形貌的特征分析可知,试样的磨损机制均以磨料磨损为主。最后,优化磁场参数后,对成形后的块体试样进行组织和力学性能表征。结果发现,在无磁场条件下时,成形组织中存在着大量垂直于熔敷方向生长的柱状晶,等轴晶数量较少,平均显微硬度值为71.3 HV0.1,横向与纵向的抗拉强度分别为220.7 MPa和258.2 MPa,延伸率分别为11.6%和22%,整体表现出的力学性能较差。通过磁场优化后,成形组织中柱状晶的尺寸及数量显著减少,晶粒之间的生长方向各异,平均显微硬度值为75.6 HV0.1,横向与纵向试样的抗拉强度分别为257.8 MPa和274.2 MPa,延伸率分别为16.1%和25.6%。

关键词： 熔滴过渡   焊接熔池   纵向磁场   数值模拟  

摘要： 电弧增材制造具有成本低、设备简单、堆积效率高等优点,广泛应用于航空、汽车等领域。在电弧增材制造中,焊丝受热熔化形成熔滴,熔滴落入熔池后,在热和力的综合作用下流动并逐渐凝固形成最终的堆积层。熔滴的形状、尺寸、过渡频率以及融入熔池后的稳定过程直接影响着最终的成形质量,而引入外加磁场可以对熔滴过渡以及熔池的流动行为进行调节。基于此,本文采用FLUENT流体计算软件对单层单道增材制造中熔滴过渡行为以及融入熔池过程进行解析,探讨工艺参数及外加纵向磁场对该过程的影响机理,为实际生产提供理论参考。 首先,根据流体动力学理论和电磁学理论,建立了熔滴过渡二维轴对称模型。计算了电流为175A时的大滴过渡行为并分析了熔滴内部的流场、压力场分布,分别计算并对比了电流为220A时射滴过渡、350A时射流过渡的电磁场分布,发现电磁力取代表面张力成为了熔滴过渡的主要作用力。计算了不同电弧扩展角度、电弧电导率及考虑金属蒸汽条件下的熔滴过渡过程,发现增加电弧扩展角或者提高电弧电导率会使熔滴过渡周期变短、熔滴体积缩小;金属蒸汽的存在会促使熔滴过渡周期变长、熔滴体积增大。 然后,综合考虑重力、电磁力、表面张力、电弧压力以及热浮力,建立了熔池流动三维瞬态模型,对熔滴融入熔池的过程进行数值计算。计算结果表明滴状熔滴冲击对熔池自由液面造成的波动基本维持在10ms以内,前一滴熔滴的冲击基本不影响后一滴熔滴的融入,射流熔滴冲击时熔池表面会保持一个宽而深的大变形。提高堆积速度促使熔滴动量转化为后向动量,提高堆积电流促使熔滴动量转化为向下动量。 最后,在模型中引入纵向稳态磁场,对熔滴过渡及熔池流动行为进行计算。结果表明,纵向磁场使熔滴沿中心轴线旋转,熔滴体积增大,过渡周期变长。磁场强度小于0.005T时熔滴由椭球形逐渐变为球形,磁场强度大于0.005T时熔滴由球形过渡为扁球形。纵向磁场对熔池产生搅拌作用,熔池内部水平流动趋势增强,熔滴融入熔池后大部分被牵引至前进方向的左侧,造成增材堆积层的层高减少、层宽增加。

关键词： WC   铁基复合材料   电弧增材制造   显微组织   力学性能  

摘要： 金属基复合材料不仅具有金属材料良好的韧性、塑性和导热性,还具有陶瓷材料的高硬度、高强度、耐高温和耐磨损性能。金属基复合材料的增材制造是当前研究热点,而其中电弧增材制造技术工艺流程简单,成本低,一般不需要后续的塑性加工,适用于中大型复杂形状金属基复合材料零件的制造。本文基于熔化极气体保护焊（MIG）电弧增材,同时辅以同步重力送粉（WC与Fe的混合粉末）的方式,自下而上,分层堆积制造了不同WC颗粒含量的增强铁基复合材料成形件,并研究分析了WC含量对成形件微观组织和力学性能的影响。将WC颗粒按比例与Fe粉进行均匀混合并通过电弧增材堆积成形样件,观测样件的微观组织发现,当WC质量分数为0%和20%时,成形件的组织主要是铁素体,原因是添加20%WC相对于整个成形件,含量相对较少,高温导致WC烧损严重,造成成形件组织主要是铁素体。当WC质量分数为40%、60%、80%和100%时,成形件主要含有铁素体和富钨型碳化物（Fe3W3C）。成形件中WC颗粒分为未完全溶解和完全溶解两种表征形态。完全溶解的WC颗粒分解出W原子和C原子扩散到Fe基体之间形成冶金结合,凝固后生成硬度较高的富钨型碳化物（Fe3W3C）,提高了成形件的耐磨性能。力学性能方面,随着WC颗粒质量分数的增加,成形件的显微硬度逐渐增大,抗拉强度、屈服强度呈现出先增大后减小的趋势,断后延伸率逐渐减小,摩擦系数和磨损量呈现出先减小后增大的趋势。成形件的显微硬度由0%的220HV0.2提高到100%的979HV0.2。当WC颗粒质量分数为60%时,成形件的最大抗拉强度为1092MPa,相比0%成形件提高了1.8倍。当WC颗粒质量分数为40%时,屈服强度达到最大值为871MPa。当WC颗粒质量分数为80%时,摩擦系数和磨损量最小,耐磨性能最佳。

关键词： CMT电弧增材制造   17CrNiMo6   微观组织   力学性能   微合金化  

摘要： 零件在复杂的工作环境下,会发生各种失效,如磨损、腐蚀和断裂等。当零件发生失效时,整个机械系统的正常工作都会受到严重影响。断裂零件的增材修复成为防止资源浪费、减小成本,延长机器寿命的重要途径。17CrNiMo6材料具有良好的力学性能和机械加工性能而被广泛运作重载齿轮材料。CMT(cold metal transfer)电弧增材制造技术具有热输入小、成型效率高和成本低等优势。本文采用CMT电弧增材制造的工艺,系统的探究工艺参数和微合金元素对17CrNiMo6钢成型尺寸、组织和性能的影响,主要内容如下:(1)CMT电弧增材制造工艺成型的基础就是单层单道的焊接。对于17CrNiMo6焊丝的单层单道而言,分别探究了焊接速度对焊道的成型尺寸的影响和送丝速度对焊道的成型尺寸的影响,发现随着送丝速度的增加,焊道熔宽逐渐增加,余高呈现先增大后减小,余高系数整体上也呈增加态势。随着焊接速度的增加,焊道熔宽逐渐减小,余高也平缓降低,而焊接速度和余高系数的关系并不明显。(2)针对17CrNiMo6薄壁墙主要探究了层间冷却温度对其微观组织、成型尺寸、力学性能的影响。并观察了17CrNiMo6薄壁墙中相的类型,从XRD图谱中可以看出,三种衍射峰都为Ni-Cr-Fe相。从金相组织中发现,薄壁墙靠近基体位置,以板条状马氏体和残余奥氏体为主,并伴随一定的碳化物颗粒,在薄壁墙的顶部以贝氏体和铁素体为主,也有一定的碳化物颗粒,层间冷却温度增加时,残余奥氏体晶界较为明显,并伴随一定的马氏体向回火屈氏体的转变。当层间冷却温度增加时,薄壁墙的强度在下降,塑性性能略有提高,平均硬度有所下降。(3)对17CrNiMo6焊丝进行成分设计,在G1中加入V、Nb复合微合金元素,在G2中单独加入Nb微合金元素。焊后发现复合微合金元素成型效果一般,而单独加入Nb有助于成型,成型效果较好。由于V、Nb元素摄入较少所以对宏观尺寸影响不大,也并没有改变相的类型和断裂方式。但是微合金化起到了晶粒细化的作用,尤其是复合微合金化晶粒细化作用更为明显,所以G1焊丝的薄壁墙整体综合力学性能高于G2焊丝。

关键词： 电弧增材制造   有限元分析   热效应   残余应力  

摘要： 电弧增材制造以电弧作为载能束,通过数字化控制系统控制使零件逐层堆积制造,实现金属结构无模成形,具有适应性强,沉积效率高,成本低等优势。然而在成形过程中,随着零件逐层堆积,热积累严重,由此产生非均匀塑性应变和热应变,会导致零件的应力和变形,甚至造成零件失效。本文通过建立电弧增材制造数学模型,研究了电弧增材制造过程中热演化过程以及应力、变形规律,为从本质上理解电弧增材制造和现存问题的解决提供可靠理论依据,同时为复杂结构电弧增材工艺参数优化提供思路。首先,建立了单道多层薄壁墙体结构的有限元模型,并通过实验对温度场进行验证,确定模型热源、材料参数、边界条件符合实际。在此基础上,通过有限元方法对单层多道成形的热行为演化以及应力、变形规律进行分析,得出了热效应的周期性演变规律。热效应的周期性演化对已堆积层的应力具有释放作用,夹具卸载后成形件主要沿堆积方向发生翘曲变形。研究了成形路径对薄壁墙体成形过程的影响,得出了往复式堆积方式相比单向式堆积方式使增材体热分布更均匀,应力分布更具对称性。其次,建立了多层多道加强筋结构有限元模型,以增材过程热分布、残余应力和变形为参考条件,设置了外内式、内外式、交错式三种路径并择优排序,外内式路径较另两种路径更优。基于外内式路径以控制残余应力和变形为目标,确定了合适的层间冷却时间在90s～120s之间。基于内外式路径层间冷却时间120s的参数对不同基板预热温度的研究发现150℃～200℃之间是降低热应力和开裂倾向的合适选择。研究发现,路径决定热源移动方式,不同路径下应力分布和变形都有所不同,层间冷却时间的延长能极大程度地减轻热效应累积,降低应力峰值,但不会改变成形结构的应力分布。此外,基板预热可以降低增材时的温度梯度,从而有效地减轻基板翘曲变形以及堆积层与基板间的残余应力。最后,基于优化方案对多道多层加强筋结构进行增材实验,通过实验与模拟的温度场、应力和变形对比发现二者规律一致,数值相近,证明本研究建立的有限元模型可以准确反应电弧增材过程的热效应演化、残余应力与变形规律。