丝材电弧增材制造技术研究现状与趋势

丝材电弧增材制造技术适于大尺寸且形状较复杂构件的低成本、高效快速成形,是与目前发展较成熟的激光增材制造方法优势互补的3D增材成形技术。文中综述了近几年国内外丝材电弧增材制造技术的研究现状,从控形控性角度分析了国内外相关研究机构的研究方向与技术优势。藉此指出,丝材电弧增材制造技术的相关研究工作仍主要聚焦于试验研究阶段,并未深人到成形机理的探究,该领域的研究工作应更深人、系统地从成形物理过程、熔池系统稳定性、组织演变规律和性能优化等角度,力求开展丝材电弧增材成形工艺及理论研究工作,推进该技术在现代制造业的应用。     

不锈钢电弧增材制造成形

采用316L不锈钢在Q235A基板上进行TIG填丝增材制造成形试验,研究不锈钢增材制造成形工艺,分析不锈钢增材制造成形件的显微组织。结果表明:通过调整焊接电流、打印速度、送丝速度等工艺参数,可以实现不锈钢电弧增材制造成形,成形件具有致密度高、尺寸精度和表面质量较好等优点,其显微组织为柱状枝晶形态的奥氏体,顶部枝晶尺寸相对较小。     

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。     

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.     

航空航天用电弧熔丝增材制造研究综述

电弧增材制造因其成形效率高、适用材料范围大、设备简单、工件尺寸不受限制等特点,在航空航天领域大型金属构件制备方面具有独特优势。对航空航天领域涉及的电弧熔丝增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)典型材料的微观组织及力学性能进行了总结分析,从增材过程工艺控制、增材后热处理以及复合增材技术三个方面综述了电弧熔丝增材工艺质量控制的方法,并概述了近年来大型金属构件电弧熔丝增材制造的应用情况,最后对大型金属零件电弧熔丝增材制造技术的发展方向进行了展望。     

双丝电弧增材制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金工艺与组织性能

为改善Al-Zn-Mg-Cu铝合金电弧增材过程中出现的工艺和缺陷问题,利用双丝电弧增材技术,制备了Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金. 根据电弧增材过程中的工艺以及成形情况,对该工艺中的送丝位置,送丝速度以及变极性频率等工艺参数进行分析. 通过工艺试验得到气孔含量较少和成型情况较好的参数并进行双丝电弧增材制造. 分析了不同扫描速度下的制备的Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金组织以及力学性能,对微观组织和试样失效区域进行观察,确认了断裂类型和组织特点. 最终得到双丝电弧增材技术制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的工艺区间,明确了沉积态Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的基本组织特点.     

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。     

丝材直径对电弧增材制造ZL114A铝合金组织与性能的影响

与金属粉末增材制造技术相比,电弧+丝材增材制造技术在成形效率上有显著优势,但在大尺寸金属构件成形时,其成形效率仍有待提高。文中以直径1.6 mm的ZL114A铝合金丝材为原材料,分析了电弧增材制造成形合金的微观组织与性能,并与原材料直径1.2 mm的成形合金进行对比。研究发现,选用直径1.6 mm丝材为原材料,能够提高电弧增材制造ZL114A合金的成形效率,直接沉积态合金的微观组织具有较大二次枝晶臂间距。经过T6热处理后,成形合金中共晶硅颗粒充分球化,均匀分布在铝基体上,合金具有优异的力学性能。     

薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺分析

基于冷金属过渡技术,研究了全封闭薄壁中空环形件的电弧增材制造工艺. 首先在单层单道熔敷层圆弧形截面轮廓的基础上推导了单道多层熔敷层的叠加数学模型;其次建立了可根据薄壁结构尺寸获取合理工艺参数的等体积电弧增材模型,最后通过试验数据验证了模型的可靠性. 基于该模型,建立了工艺参数(送丝速度、电弧移动速度)与成形件尺寸之间的关系,在优化的增材工艺下成形出了外观质量良好的薄壁中空环形工件,并将成形件扫描得到的实际轮廓与理论轮廓进行对比,验证了叠加模型和等体积增材模型的准确性以及工艺的可行性.     

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。     

铝合金电弧增材制造研究现状

电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）具有沉积速率高,成形速度快以及适合各种成形环境的优点,吸引了越来越多的高校及科研机构投入其中,如何进一步发挥电弧增材制造的优势是当下的研究热点。阐述了铝合金电弧增材过程中热输入、电流方式和外加能场对成形件表面形貌、微观组织以及力学性能的影响。当焊接电流较小或焊接速度较快时,热输入较低,熔融金属冷却速度快,形核率高,成形件为晶粒细小的等轴晶粒,提供给气孔的形成、聚集和长大的时间短,即热输入越低,成形件等轴晶区越宽,晶粒越细小,气孔缺陷越少,成形件机械性能越优异。对比分析了不同电流方式的电弧增材制造成形件性能差异,发现脉冲和变极性电流方式的热输入比无脉冲电流方式低,成形件晶粒更精细、缺陷更少、机械性能更优异;脉冲和变极性电流方式都可以清理成形件表面氧化膜,获得平整的表面。分析了电弧增材制造系统的优化方案,发现施加磁场、激光可以使得电弧更加集中,调控熔池流动,避免熔敷金属铺展不均匀;施加原位轧制、层间锤击以及超声喷丸可使得沉积层发生变形,在晶粒内产生大量位错;利用水箱或者添加保护气喷嘴可以降低电弧增材...     

电弧增材制造过程的外形控制优化

电弧增材制造由于其高堆积速率、高材料利用率、低设备费用及可制造大型构件的能力而广受关注,但由于电弧增材制造在同向堆积时存在起弧处堆积高、熄弧处堆积低的问题,影响了电弧增材构件的外形精度。基于现有设备,通过优化电弧增材制造过程中的堆积策略,从而显著改善堆积件的外形精度。相较于未优化,优化后的堆积件起弧处相较于正常段高度降低20.5%,熄弧处相较于正常段高度增加44.5%,起弧处与熄弧处的高度差减少36.4%。     

Nb合金化对电弧增材制造NiTi基形状记忆合金的影响

NiTi合金是一种应用广泛的形状记忆合金,其中Ti₄₇Ni₄₄Nb₉成分的合金是一种可靠的航空管接头材料. 采用双丝电弧增材制造(WAAM)的方法制备了Ni₅₂Ti₄₈合金,并以Nb元素进行了原位合金化得到了Ti₄₇Ni₄₄Nb₉合金,研究了其典型组织、压缩性能、相变温度与形状记忆效应,分析了Nb元素的添加对WAAM镍钛合金组织及性能的影响. 结果表明,加入Nb元素后,合金的组织除B2相晶粒外,还在晶界处有细小的β-Nb相析出,使得合金的压缩强度在横向与纵向上分别增加了7.9%与3.1%,形状记忆回复率则下降了4.0%,相变温度滞后从?6.4 ℃提升至40.9 ℃,使得该材料作为记忆合金管接头时更加利于储存与装配.     

基于冷金属过渡的电弧增材制造钛合金螺旋桨成形机理及组织性能

通过对基于冷金属过渡(CMT)的电弧增材制造成形过程中电弧形态、电流电压同步信号和熔池形貌的同步检测分析,研究了电弧不同阶段的熔滴过渡形式和熔池金属的受力状态,探明了悬垂结构成形过程中的熔池金属的受力机制,实现了钛合金螺旋桨的成形,并分析成形后的组织性能。研究结果表明,通过对CMT电弧热输入和电弧力的精细控制,能够在无支撑条件下实现螺旋桨叶片的快速成形,同时获得良好的力学性能。在本研究条件下,钛合金CMT增材制造过程中熔滴过渡主要以短路过渡的形式进行,降低基值和短路阶段的焊接电流能够增加悬垂结构倾角,且当I基值/I峰值小于0.3时,钛合金螺旋桨最大倾角达到53.26°。基于优化后的工艺成形船用Ti6321合金,内部组织致密且无贯穿式的粗大柱状晶,力学性能达到同级别锻件标准,水平方向和竖直方向的各向异性不明显。     

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%.     

Laser-TIG hybrid welding of ultra-fine grained steel

For improving the weldability of ultra-fine grained (UFG) steel, detailed experiments of laser-tungsten inert gas (TIG) hybrid welding were carried out on this material to investigate the effects of welding parameters on weld shape, microstructure, grain growth in heat-affected zone (HAZ) and mechanical performance. For the hybrid welds, increasing energy ratio of laser to arc (ER_LA) can narrow weld width, reduce the tendency of grain growth and ferrite grain coarsening in HAZ and also make the microstructure of fusion zone gradually change from coarse pearlite to fine martensite and bainite. The hybrid weld with low ER_LA has obvious softening zone in HAZ; while that with high ER_LA has no softening zone because of the low line energy. Compared to laser weld, under appropriate welding parameters hybrid weld with high ER_LA can obtain higher welding speed, better weld shape and more sound mechanical performance including similar tensile strength and higher toughness. These results demonstrated that laser-TIG hybrid welding is an effective process for UFG steel.     

采用风冷预处理的高强钢板变强度热成形工艺

高强钢变强度热成形工艺可使同一零件不同区域具有不同的强度与塑性韧性,在保证碰撞完整性的基础上,提高零件区域延展性以实现碰撞吸能,防止碰撞侵入的目的。提出了一种基于定制区域风冷预处理的变强度热成形工艺。搭建了介质为干燥压缩空气的定制区域冷却平台,研究了射流压力0.3~0.7 MPa下,板料分区冷却的温度分布及变化规律;验证了新工艺实现高强钢的变强度热成形的可行性。研究结果表明,分区冷却过程中,随着射流压力的提高,钢板冷却速度逐渐加快,但横向测流及板料内部热传导使得过渡区宽度增加,而负压回风结构的设计则有效降低了横向测流的影响,在损失一定冷却能力的基础上降低过渡区宽度。当射流压力为0.3 MPa,添加回风结构时,当风冷区域温度降低至410 ℃(Ms点以上),硬区温度缓冷至750 ℃(Ar₃以上),经800 ℃回火及淬火后,软区得到低强度高塑性的铁素体及片状珠光体组织,硬区得到高强度低塑性的板条马氏体组织。采用新型的变强度热成形工艺及相应的定制区域冷却平台能够实现高强钢板变强度分布。     

预成形件对超高强钢板热冲压减薄率的影响

为了降低超高强钢板在热冲压过程中的减薄率,以车轮侧盖为研究对象,设计了4种预成形件结构方案,通过有限元模拟分析预成形件形状、尺寸对减薄率的影响,基于模拟结果,进行了预成形件热冲压实验。结果表明:热冲压件的显微组织为板条马氏体,显微硬度达到460 HV以上;零件球窝处材料减薄率最大,预成形有利于降低材料减薄率;预成形件储料面积越大,热冲压件材料减薄率越小;预成形件为深度为22.8 mm的圆拱形储料结构且切角时,材料减薄率最小,为11.67%,壁厚均匀性较好。实际热冲压实验结果和数值模拟结果基本一致。     

骑式摩托车上悬管切口工艺与模具设计

管件在焊接时,焊口需加工出圆弧形状,采用铣床加工,难以满足大批量生产要求。通过对骑式摩托车上悬管零件成形工艺分析,采用具有工艺简单、成本低、效率高、质量好等优点的冲压切口成形。设计了两套切口模具,并提供冲切凸模和凹模图形与尺寸,对冲切过程中管壁变形情况进行了简要分析。通过多年实践检验,该工艺及模具应用情况良好,产量稳定。     

Thermal spraying of billets and fiber prepregs for semi-solid forming of metal matrix composites

The use of thermal spray processes with subsequent material densification by semi-solid forming can yield advantages for manufacturing of metal matrix composites (MMC) compared to well-established manufacturing methods like spray forming or diffusion bonding. The main challenges of this method lie in well defined process temperatures during material deposition and forming, handling of the material during the processes, microstructure of the semi-finished matrix, and economical efficiency of the process chain.Particulate reinforcement of light metal matrix material is mainly aimed on improvement of mechanical properties at elevated temperatures, e.g. wear behavior, creep resistance, yield and tensile strength. Composite formation for particle reinforced metals (PRM) by thermal spraying with the arc wire system is achieved by simultaneous deposition of matrix and reinforcement by means of cored wires. Unidirectional (UD) fiber reinforced MMC yield highest specific mechanical properties and can be processed by winding of a continuous fiber strand and coating of the fiber layer by arc wire spraying with wires from light alloy matrix material or by plasma spraying with mixed powders. The coating process can be simultaneous to the winding process or in a separate step for prepreg manufacturing with shape and fiber content adapted to the final component geometry and load case.