铝合金CMT技术增材制造研究进展

铝合金作为一种加工性能优良、导热性好且质量轻的金属材料,在工业领域应用广泛。冷金属过渡焊接技术(CMT)作为一种低热量输入、无飞溅的焊接技术,非常适合铝合金的增材制造,铝合金CMT技术已成为增材制造技术的研究热点。通过综述近年来国内外学者在铝合金CMT技术焊道成形、组织性能、气孔缺陷方面的研究成果,展望了未来CMT技术的发展方向。     

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CMT电弧增材制造残余应力分析

文中基于热弹塑性力学理论,建立铝合金冷金属过渡(CMT)电弧增材制造筒状形件残余应力三维有限元分析模型。通过Ansys有限元软件对铝合金形件残余应力进行模拟计算,研究其分布特征,并将残余应力的计算结果与试验结果相对比,验证模型准确性。研究结果表明,铝合金CMT电弧增材制造筒状形件整体径向和轴向残余应力较小;而环向残余应力集中在形件下部区域,表现为拉应力,应力峰值约为300 MPa;随着高度的增加,环向拉应力减小为压应力,峰值约为-104 MPa; Von-Mises等效残余应力在形件厚度方向上分布均匀;在高度方向上呈先增大后减小特性;形件底部区域应力较大,峰值约为276 MPa,与材料屈服强度相近。     

CMT工艺及其热输入对Al-Cu合金焊缝成形和气孔的影响

采用四种冷金属过渡焊接工艺(CMT)分别在不同热输入水平下,使用ER2319焊丝进行AA2219-T851高强铝合金的平板堆焊成形,全面分析其焊缝成形和气孔分布特征。结果表明,常规CMT焊缝具有明显指状熔深特征,气孔缺陷严重并呈全焊缝分布状态;CMT-P焊缝母材熔化面积明显增加,气孔数量显著减少且在适当控制热输入时有助于消除气孔;CMT-ADV焊缝也具有指状熔深特征但熔深显著减小;CMT-PADV焊缝具有显著球形熔滴成形特征且熔深最小,两工艺低热输入和对焊丝表面氧化膜的清理作用有助于消除气孔。     

热处理对CMT电弧熔丝增材制造Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo合金显微组织和力学性能的影响

采用基于冷金属过渡焊接的电弧熔丝增材制造技术(CMT-WAAM)制备了Ti-6Al-3Nb-2Zr-1Mo(Ti6321)合金,研究了热处理对Ti6321合金显微组织、力学性能的影响。研究表明,沉积态Ti6321合金组织由不规则的多边形原始β晶和晶界α相(α_(GB))组成,晶内分布有厚度不均的α片层和少量β相。经α+β两相区退火后,α片层内部的位错密度降低,其中,700℃退火后强度和冲击吸收功均有所降低,800℃退火后冲击吸收功提高,且强度达到1050 MPa以上。经双重热处理后析出次生α相(α_s),晶界α相(α_(GB))弱化呈断续分布,Ti6321合金冲击吸收功最高达到34 J。不同热处理状态下的冲击断口均有大量韧窝,为典型的韧性断裂。     

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。     

不锈钢基板上CMT电弧增材制造铝青铜的组织及性能

本文研究了工艺参数对不锈钢表面增材制造铝青铜薄壁试样组织和性能的影响.结果表明:基材与熔敷层之间形成了一层Fe基固溶体层,附近熔敷层中离散分布Fe基固溶体粒子和FeAl3相;随着送丝速度的增大,Fe基固溶体层的厚度增大,粒子大小、数量及分布范围均增大.剪切时裂纹并未一直沿着结合界面层扩展,而主要是从熔敷层断裂;剪切强度...     

铝合金点阵结构电弧增材制造技术及应用

电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法,制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al2O3相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系,制备出直径1.2 mm的药芯丝材,堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离,使电弧中的带电粒子大幅度增加,对电弧存在约束和稳定作用,提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数,可制备直径为2.5～7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量,可制备角度为15°～90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形,点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa,具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源,热源温度为500℃,时间600 s,测试件下表面温度约93℃,具有较高的隔热性能。     

CMT电弧增材制造Inconel 718高温合金成形工艺研究

Inconel 718高温合金具有组织稳定、抗热腐蚀、高温下强度高的特点,可以应用于高温、复杂应力等苛刻环境。文中以CMT电弧增材制造技术为研究对象,以Inconel 718高温合金为成形材料,探索工艺参数影响成形形貌的内在机理,采取电流电压信号采集、高速CCD拍摄熔滴过渡行为的方法,通过控制变量法研究不同工艺参数下的熔滴过渡行为,在此基础上分析工艺参数对单层焊道成形的影响。研究发现：较大的送丝速度成形质量更好,且利于搭接,同时伴随着大量的飞溅;当焊丝伸出长为10 mm时,可获得最小的单道熔宽;对单层单道熔覆层成形影响的大小顺序为送丝速度大于焊丝伸出长。     

304不锈钢冷金属过渡电弧增材制造组织及力学性能

开展了不同填充速度的不锈钢冷金属过渡电弧增材制造试验,实施了构件不同位置的拉伸试验并且分析了断口形貌,探讨了构件微观组织特征。 结果表明,冷金属过渡电弧增材制造是一种可行的金属增材制造工艺;由于构件在垂直方向的微观组织不均匀,水平拉伸的屈服强度和抗拉强度均高于垂直拉伸;随着送丝速度增加,扫描的热输入增加,熔化区的二次枝晶间距变大,抗拉强度降低。     

Al-6.3CuAC-GTAW电弧增材成形的气孔控制

采用AC-GTAW工艺进行Al-6.3Cu铝合金电弧填丝单道多层成形试验,针对不同热输入、空气和氩气两种环境及不同送丝速度条件,研究过程参数及环境气氛对成形件内部气孔的影响。结果表明,热输入对气孔的影响最大,控制热输入能减少试件中气孔数量和大小;在适当控制热输入条件下,采用氩气环境和低送丝速度可显著减少内部气孔缺陷。试验发现,I=125 A,vTS=0.30 m/min,氩气环境下,vWFS=2.0 m/min时,气孔数量最少,尺寸最小。     

TA31钛合金电弧增材制造过程液桥过渡数值分析

建立了电弧熔丝增材制备TA31钛合金过程传热传质的三维瞬态计算流体力学模型,采用流体体积法对自由表面进行追踪,计算了熔滴生长、液桥过渡和脱离焊丝进入熔池的动态演化,以及在表面张力、电弧压力、电弧剪切力、电磁力、重力和热浮力的作用下熔池流体流动的速度分布,并通过与高速成像以及沉积层横截面的比较,验证了该数值模型的有效性。结果表明：液桥过渡模式对熔池冲击较小,有利于减少成形表面的不规则性。随着熔池几何形状的扩大,沉积层高度先增大后减小,最后趋于稳定。在电弧压力和表面张力的作用下,熔池表面形成凹陷,熔池内部产生对流。惯性力和表面张力是影响液桥流动的最重要驱动力,粘性力和重力的影响可以忽略不计。     

Al-Cu-Sn合金WAAM堆积体的组织与性能

Al-Cu合金ZL205A电弧熔丝增材制造堆积体具有良好的综合力学性能,但在增材过程中产生有毒的氧化镉。本论文以Sn替换Cd,通过金相、SEM、EDS、TEM及拉伸试验,考察堆积体的微观组织和力学性能,并与ZL205A合金堆积体进行对比。结果发现,Al-Cu-Sn合金堆积体表面平整,呈现出银白色光泽,Sn元素的烧损率为5.9%。WAAM Al-Cu-Sn合金堆积体直接堆积态晶粒细小、均匀,晶粒尺寸约为30μm,小于ZL205A合金堆积体的晶粒尺寸,主要析出相在晶内和晶界上均匀分布。T6热处理后,θ相完全固溶到Al基体中,在晶界上均匀分布着复熔T相和Sn与Al2Cu的细小共生相,TEM显示晶内弥散分布大量的θ,相。T6热处理后,Al-Cu-Sn合金的力学性能为：抗拉强度：493Mpa;屈服强度：434Mpa;延伸率：9.5%。该合金在WAAM过程中表现出了优异的性能,具有广泛的应用前景。     

自行车辐条条母用超高强铝合金工艺研究

对超高强铝合金熔铸、挤压、热处理制度和冷变形量进行试验研究，选择较佳的工艺条件，生产出强度高和尺寸精度好的冷拉线材，满足了用户的使用要求。     

电弧增材制造钛合金界面处残余应力及其影响研究

采用电弧增材制造方法制备了含增材/基材界面钛合金板,采用轮廓法测量了其残余应力分布。建立了模拟紧凑拉伸(C(T))试样加工和裂纹扩展过程中残余应力发展的有限元模型,缺口状态C(T)试样内残余应力分布与轮廓法测试结果吻合良好。采用该模型讨论了试样内残余应力随裂纹扩展的变化规律及对裂纹扩展的影响。试验和数值分析结果表明:2种类型试样缺口状态的残余应力分布有很大差别,A类试样(缺口位于基材)残余压应力区域靠近缺口根部,C类试样(缺口位于增材)残余压应力区域远离缺口根部;A类试样内残余应力随裂纹扩展迅速释放,残余应力引起的应力强度因子较小;C类试样内残余应力随裂纹扩展变化较小,残余应力引起的应力强度因子较高,降低了疲劳裂纹扩展寿命。     

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...     

Ti-6Al-4V线材电弧增材制造的组织与性能研究

本文采用Ti-6Al-4V线材为原料,以电弧为热源将钛合金丝材进行熔融,逐层进行堆积的快速增材制造,并对合金的凝固过程、组织形貌和力学性能等进行分析。结果表明,在丝材电弧增材制造过程中,在开始堆积的1~2层为柱状晶,随后的堆积则以等轴晶的方式生长。而且电弧高的热量输出,使得每个堆积区-熔合区-堆积区得到了有效的冶金结合,没有明显的界面和钛马氏体,各区域的显微组织均为稳定的α+β片层组织以及接近的显微硬度值。与铸态Ti-6Al-4V相比,电弧增材制造的钛合金不仅初始β晶粒细小,而且α+β片层间距也较小,其抗拉强度相比铸态提高3.6%,延伸率提高37%,拉伸断口为韧窝状的韧性断裂,与铸态合金存在一定撕裂棱的准解理断口形貌差异明显。     

电弧熔丝增材制造316L的温度场仿真及对基体的影响

电弧熔丝增材(WAAM)是一种利用电弧将焊丝熔积成型的新型制造方法,基本原理是"分层制造,逐层堆积".在连续的热循环作用下,WAAM成型件内部易产生较大的残余应力和变形,影响零件的性能.为了研究电弧增材制造过程中温度演变规律及对基体的影响,基于有限元法,采用"生死单元"技术建立了三维瞬态仿真模型,进行了层间停留温度为4...     

Al-Si系铝合金电弧增材再制造成形机理及性能评价

针对6082铝合金的磨损、腐蚀、掉块等损伤,采用CMT (Cold metal transfer)电弧增材再制造技术和自主研发的Al-Si-Cr-Er丝材在其表面制备了单层多道、多层单道及多层多道成形层。综合运用金相显微镜、扫描电子显微镜、万能力学实验机、电化学工作站等分析成形层微观组织并评价其力学及电化学等综合性能。结果表明：成形层平滑光亮,焊道和焊道之间搭接平整紧密,无气孔、热裂纹、咬边、焊瘤等缺陷,Cr及稀土元素Er的加入,有效抑制了晶粒长大,促进了成形组织细化。相较于通用ER4043丝材,Al-Si-Cr-Er成形层的平均抗拉强度达228.7 MPa,最高延伸率达13.5%,微孔聚集形韧窝断裂是其主要失效机制;自腐蚀电位提高了约0.2 V,自腐蚀电流密度降低了一个数量级,成形组织的细化和杂质元素含量的降低是其耐腐蚀性能提升的主要原因。