随弧激冷对电弧增材制造温度场及组织性能的影响

针对电弧增材制造过程中严重的热积累所导致的成形件成形质量差、尺寸精度低以及晶粒粗大等问题,提出通过随弧激冷电弧增材制造方法来改善电弧增材制造过程中的热积累.采用数值模拟与试验相结合的方法研究随弧激冷对电弧增材制造过程温度场的影响,分析施加冷源对成形件的成形质量以及组织性能的影响.结果表明,施加冷源能够有效改善电弧增材制造过程中的热积累,提高成形件的成形质量以及尺寸精度,优化成形件的显微组织以及力学性能.     

碳钢旁路热丝PAW增材制造成形及组织和性能调控

为了解决电弧增材制造过程中电弧热输入过大导致成形较差、晶粒粗大等问题,以H08Mn2Si碳钢为增材材料,进行了旁路热丝等离子弧(PAW)增材制造成形及组织优化. 首先在单层单道沉积试验中,研究了主/旁路电流比对熔敷成形和热输入的影响;然后进行多层单道沉积试验,分析了不同层间温度下碳钢的成形、微观组织以及硬度;最后对成形良好的增材样件进行了拉伸性能测试. 结果表明,当主/旁路电流比较小时,可以获得表面均匀光滑的熔覆层、母材稀释率可减小至10%;当控制层间温度为较低的温度100 ℃时,增材成形表面质量较好,试样中间稳定区域处的微观组织晶粒尺寸细小,珠光体占比增加,平均硬度最高可达到294 HV;拉伸试验表明其强度性能以及塑性性能在各方向上均匀一致,断裂形式为韧性断裂.     

高能脉冲精密冷焊的电弧特性和增材制造成形能力

进行了高能脉冲精密冷焊的电弧特性试验和各类零件的增材制造试验,根据脉冲电流和电压波形分析了脉冲电弧的特性,根据堆焊零件的成形情况分析了其增材制造成形能力。结果表明,高能脉冲精密冷焊的输出电流为脉冲方波,产生断续的脉冲电弧;其脉冲时间短,电弧能量密度高,冷却时间长,热输入小,零件变形小;在堆焊成形过程中,工件处于冷态,熔池存在时间短,不会出现焊缝熔池流淌现象,堆焊零件的成形精度高,具有复杂零件的增材制造成形能力;该方法可用于较小的几何形状复杂零件的增材制造,也可用于精密零件的增材制造成形修复。     

焊接电流对等离子弧增材制造Inconel690合金性能的影响

采用等离子弧增材制造系统进行了Inconel690合金材料的薄壁件电弧增材制造。分析了不同焊接电流对Inconel 690电弧增材制造薄壁件成形、显微组织及力学性能的影响。结果表明:随着电流的增加,薄壁试样的宽度增加而层高降低,晶粒尺寸逐渐变大。增材制造试样的伸长率较Inconel690焊丝理论伸长率高而拉伸强度相对较低,不同方向的力学性能差异显著,水平方向拉伸强度约为500 MPa,优于竖直方向的450 MPa,水平方向伸长率为66%,低于竖直方向的75%,不同电流下拉伸试样的断裂机理不同。     

CMT电弧特性对5A56铝合金增材制造构件组织与性能的影响

为了研究CMT电弧特性对铝合金增材制造构件组织与性能的影响,采用CMT、CMT-VP及CMT-P三种电弧形式分别对5A56铝合金进行电弧增材制造.通过高速摄像同步采集系统分析增材制造中的电弧形态及熔滴过渡过程进行跟踪,研究电弧特性对铝合金增材制造构件微观组织与力学性能的影响.试验结果表明:电弧特性对电弧行为和熔滴过渡都产生影响,CMT-VP电弧的EN阶段电弧形态发生变化,弧根上爬包裹熔滴,极区热量使焊丝熔化量增加;CMT-P中脉冲阶段电弧电压和电流都处于峰值且电流峰值较高,导致电弧力较大,熔滴过渡呈滴状,熔池振荡;在焊接电流与熔敷速度相同情况下电弧的线能量大小为CMT-P>CMT>CMT-VP,较低的热输入量使得CMT-VP电弧下薄壁试样的晶粒尺寸最小,组织分布较为均匀,且CMT-VP电弧下试样的力学性能更为优异,硬度均值最高,达到86.01 HV,横向与纵向抗拉强度均最大,分别为344.68?MPa和324.61?MPa,其延伸率分别为30.33％和21.04％.而CMT-P电弧的热输入最大,易形成粗晶组织,力学性能较差.     

丝材电弧增材制造技术的研究现状与应用

丝材电弧增材制造技术适用于大尺寸形状较复杂构件的低成本、高效快速成形。从成形系统、成形几何形状及尺寸控制、成形件组织性能分析、成形件残余应力和气孔缺陷控制方面综述了国内外电弧增材制造技术的研究现状,并且介绍了其应用情况,最后对电弧增材制造技术的研究前景进行了展望。     

铝合金电弧增材制造成形质量研究

基于机器人电弧填丝增材制造成形技术,进行了铝合金零件的成形表面不平整问题的分析及改善方法的试验探究。分析了CMT焊接技术的增材成形效果,以及应用在不同焊道时对成形质量产生的影响;分别探究了起弧与熄弧参数、层间轨迹方式、层间冷却时间等因素对成形质量的影响及改善方法。增材制造翼肋零件中,层间沉积中采用了焊道表面测量,再进行铣削加工的方式,作为进一步探究提高成形质量的试证。结果表明,加大起弧电流、降低熄弧电流,往复的层间轨迹方式及不同层间的冷却时间等方法可以提高零件的成形质量。     

铝合金电弧增材制造成形工艺与性能研究

采用ER5356铝合金焊丝,在AA6061铝合金基板上进行TIG电弧增材制造成形试验,研究焊接电流和预热温度对增材制造成形的影响,分析增材制造成形件的显微组织,并测试其力学性能。结果表明:热输入对铝合金的增材制造成形影响较大,以熔宽作为成形件热输入量指标进行相应电流调节,可实现铝合金的增材制造成形。成形件与基板结合良好,结合处和沉积层层间均为柱状树枝晶,沉积层为等轴晶,顶层由于良好的散热环境,呈现出细小树枝晶向等轴晶转变趋势。成形件的硬度分布较为均匀,平均硬度为71.3 HV。成形件的屈服强度为112 MPa,抗拉强度为255 MPa,伸长率为28.3%,拉伸断裂为典型的韧性断裂。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

丝材电弧增材制造技术研究现状及展望

丝材电弧增材制造技术因其成形速度快、成形件尺寸灵活等优点受到越来越多的关注,尤其是大尺寸、复杂形状构件的高效快速成形,丝材电弧增材制造有着其独特的优势。介绍了丝材电弧增材制造技术的工艺过程,从丝材电弧增材制造成形件的成形工艺及表面质量研究、成形件组织性能研究以及成形件残余应力研究三个方面综述国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,总结该技术现阶段在航空航天领域的应用情况,指出研究人员对丝材电弧增材制造技术的相关研究工作聚焦于工艺优化和过程控制两个方向,怎样才能通过熔滴的平稳过渡获得高质量的成形件,如何有效控制逐层堆积过程中晶粒及显微组织变化,以抑制零件内部不良组织的产生是需要继续研究的问题。     

微弧等离子增材制造NiCr合金的分子动力学数值模拟

微弧等离子增材制造NiCr合金快速凝固过程对增材制造的结构件微观组织结构性能具有重要影响. 采用分子动力学对微弧等离子增材制造NiCr合金构件生长过程中温度场变化及等轴晶生长过程进行模拟. 结果表明,冷却速率为3.38 K/ps和0.675 K/ps时,Ni-Cr体系呈现非晶凝固,0.077 5 K/ps冷却速率下,Ni-Cr体系自发形核长大,实现等轴晶凝固结晶过程,这为微弧等离子增材制造组织演变研究提供了理论支撑.     

激光功率对5356铝合金激光诱导MIG电弧增材制造组织性能的影响

为了改善MIG电弧增材制造5356铝合金的组织及力学性能,将低功率激光与MIG电弧增材制造结合,采用低功率脉冲激光诱导MIG电弧增材制造技术进行了不同激光功率下5356铝合金单道多层墙体成形试验,分析了激光功率对沉积态5356铝合金组织、显微硬度及拉伸性能的影响.结果表明,低功率脉冲激光诱导MIG电弧增材制造成形试样整体冶金结合良好、无明显的未熔合现象.墙体的微观组织主要呈等轴晶状,与单MIG电弧堆积的墙体相比,等轴晶变得细小均匀,显微硬度提高,波动较小.加入激光可以减少Fe元素、Si元素含量和气孔数量,使墙体的力学性能提高,当激光功率为300 W时达到最大值,较单MIG电弧堆积墙体的抗拉强度提高了12.0%.     

基于CMT的钛合金电弧增材制造技术研究现状与展望

钛合金高强度、高耐热的特性决定了其在航空航天、船舶制造等领域的广泛应用,但由于钛合金的难加工性,使得传统锻造+机加的方式模具损耗严重、制造周期长。增材制造作为一种制造成本低、成形效率高的绿色化制造工艺,凭借其无需模具、直接成形的优势在钛合金制造领域受到国内外学者的广泛关注。电弧增材制造技术相较于其他增材工艺(如激光增材制造、电子束增材制造等)沉积效率更高,不受零件尺寸的限制,在大型和超大型结构件的制造中具有突出优势,其中基于冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)的电弧增材制造技术由于沉积过程更稳定、热输入量更低,已逐渐成为钛合金增材制造领域的研究热点。文中对基于冷金属过渡的钛合金电弧增材制造技术的研究现状进行综述,介绍钛合金打印件的微观组织和力学性能特征,总结分析了成形参数对打印件微观组织与力学性能的影响规律,并概述了形核条件调控、轧制和超声冲击等辅助技术对打印件微观组织与力学性能的影响机制,最后展望了钛合金CMT电弧增材制造的未来发展趋势。     

钇含量对电弧增材制造2319铝合金组织与性能的影响

以不同钇含量的2319铝合金丝材为原材料,采用基于冷金属过渡的电弧增材制造工艺(wire arc addictive manufacturing,WAAM)制备2319铝合金,研究了钇含量对WAAM 2139铝合金的显微组织及力学性能的影响. 结果表明,添加Y元素可明显细化直接沉积态WAAM 2319铝合金的晶粒,细晶强化及第二相强化作用显著,间接影响了时效过程析出的二次析出相θ′的数量,同时,未对直接沉积态WAAM 2319铝合金中气孔缺陷的大小、分布产生显著影响. 随着钇含量的增加,合金凝固过程含钇化合物在晶粒交汇处偏析程度增大,使得合金成分过冷度减小,导致WAAM 2319铝合金的晶粒尺寸呈现先减小后增大的趋势,抗拉强度和屈服强度呈现出先上升后下降趋势,断后伸长率逐渐下降. 当钇含量为0.15%时,WAAM 2319铝合金表现出最优的力学性能,即抗拉强度484 MPa、屈服强度348 MPa和断后伸长率10.5%.     

基于Cu-Al-Fe合金的粉芯丝材增材制造理论及其温度场分析

目前有关粉芯丝材增材制造的研究较少，其理论尚不成熟.将Cu-Al-Fe合金作为研究对象，系统论述了粉芯丝材电弧增材制造的相关理论(沉积成形理论、梯度传热理论和晶粒细化理论)，并使用Simufact-Welding平台搭建了单道多层数值模型，通过对多组别温度场的分析，获得了试验条件下的最佳工艺窗口，即输入电流140 A和扫描速度0.4 m/min，最后开展了优化工艺窗口下的粉芯丝材沉积成形试验.结果表明，在此工艺窗口下可获得形状较好的薄壁墙，该研究为开展粉芯丝材电弧增材制造提供必要的理论基础与试验依据.     

Numerical simulation on residual stress and deformation for WAAM parts of aluminum alloy based on temperature function method

Wire arc additive manufacture(WAAM) is a new technique to fabricate large-scale complex aluminum alloy components.However, the performance of the parts is critically influenced by residual stresses and deformation. A sequentially thermal-mechanical coupled model of residual stress and deformation for aluminum alloy WAAM parts was established based on commercial FE software ABAQUS. The temperature field was calculated by the moving heat source(MHS) method. The temperature function was obtained according to the distribution of the peak temperature. Furthermore, the MHS method and segmented temperature function(STF) method were used to calculate the residual stress and deformation. The results show that the STF method satisfies both the efficiency and accuracy requirements. 1-segment, 3-segment, and 5-segment STF methods can shorten the time for mechanical analysis by 91%, 79%, 63%, respectively.The error of the residual stress and deformation are all less than 20%. STF method provides an effective way to predict the residual stress and deformation of large-scale WAAM parts.     

基于温度函数法的铝合金电弧增材制造残余应力与变形数值模拟

电弧增材制造是制造大型复杂铝合金部件的新方法,但残余应力和变形对制造件的性能有重要影响. 建立了铝合金电弧增材制造件残余应力和变形的顺序热-力耦合有限元模型,采用移动热源法计算了增材过程的温度场,根据峰值温度的分布和演变特征确定了温度函数的提取方案,并分别采用移动热源法和温度函数法进行了残余应力和变形计算.结果表明,1段,3段,5段温度函数法分别将力学分析时间缩短91%,79%,63%,残余应力和基板变形误差均在20%以内,在满足计算精度的前提下显著提高了计算效率,为大型铝合金电弧增材制造件残余应力与变形的预测提供了途径.     

超声振动对CMT电弧增材制造铝合金组织与性能的影响

为减少电弧增材制造铝合金中的气孔及粗大晶粒,采用超声振动辅助CMT电弧增材制造的方法堆焊4043铝合金薄壁件,研究了超声振幅对沉积态材料微观组织及力学性能的影响。研究发现,熔池内部枝晶在超声振动的作用下发生破碎,使得熔池内部液态金属形核率增大,细化晶粒,粗大柱状晶粒也在熔池振动搅拌下转变为细小等轴晶粒。与未使用超声振动辅助的试样相比,平均晶粒尺寸减少了22.5%。同时超声振动引起的空化及声流效应使得试样中气孔尺寸以及数量减小。但随着超声振幅的增加,熔池内部的能量逐渐加大,热输入的增加也使得晶粒发生粗化现象。过大的超声能量破坏了焊缝的结构完整性,导致焊缝内部出现孔洞。施加超声振动试样的抗拉强度较未施加时上升了8.2%~16.3%,且随着超声振幅的增大,抗拉强度及断后伸长率的各向异性逐渐减小。