基于摩擦挤压增材制造的单道多层6061铝合金组织特征与力学性能

本文成功实现6061铝合金摩擦挤压增材制造(Friction extrusion additive manufacturing,FEAM)工艺,对单道1层、2层及9层增材试样组织特征、界面连接机制及力学性能进行了分析讨论。试验表明：在主轴转速600 rpm和移动速度300 mm/min下可获得完全致密无内部缺陷的每层厚度和宽度分别约为4 mm和32 mm的6061单道1层、2层及9层增材试样。增材组织均匀完全由细小等轴晶组成,单道1层和单道9层平均晶粒尺寸分别为5.63±1.66 μm和8.31±1.68 μm,与填充棒料母材比较晶粒(24.21±5.3 μm)明显细化。单道1层增材组织内部强化相b2几乎全部溶解而b′发生粗化,平均硬度为母材的64.7%。增材界面实现冶金连接其晶粒细化最显著,由于强化相b2及b′几乎全部溶解,其硬度降低为母材的56.9%,单道9层试样因多次热循环降低为母材的50.6%。单道9层增材试样具有优良的强韧匹配,沿增材层长度方向平均抗拉强度和断后伸长率分别为194 MPa和34.6%,沿增材层垂直方向平均拉伸强度和断后伸长率分别为151.0 MPa和10.4%。     

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.     

308L不锈钢热丝等离子弧增材构件组织和性能

随着增材构件重量的大幅度增加和形状复杂性的急速提升,增材时间成本占比越来越高,为了在保持焊枪达到尽可能多空间位置的基础上,提高熔敷效率,降低时间成本比例,提出了热丝等离子弧增材制造工艺. 分别采用冷丝等离子弧增材制造(CW-PAM)和热丝等离子弧增材制造(HW-PAM)两种工艺进行了50层直壁体增材对比试验,研究了HW-PAM工艺的特性,并对增材试样的显微组织和力学性能进行对比分析. 结果表明,HW-PAM工艺的平均熔敷效率提高了105%, 在电弧行进速度为20 cm/min时,熔敷金属损失率最多可降至1.42%,比CW-PAM工艺降低了6.18%. 在电弧行进速度为50 cm/min时,试样内部存在大量非等轴铁素体,平均晶粒直径从CW-PAM工艺的8.37 μm细化到7.62 μm. HW-PAM试样的抗拉强度均在700 MPa以上,断后伸长率最高可达到53%,比CW-PAM工艺提高了6.25%.     

电弧增材制造焊缝建模及尺寸规律研究

电弧增材制造作为一种低成本、高效率的金属零件制造技术,受到了各国学者的广泛关注。然而加工精度低的问题限制了该技术的发展和应用。提出电弧增材制造单层单道半椭圆焊缝模型,通过正交试验建立焊道熔宽、熔高的回归模型,得到了焊缝尺寸与加工参数(焊接电压、焊接速度、送丝速度)之间的关系,从而完善了单层单道模型预测方法。此外,考虑到焊道之间的相互作用及影响,通过试验得出单层多道焊缝理论中心距与熔宽之间的关系,最终改进原有电弧增材制造单层多道模型。实例分析表明,该单层单道及单层多道模型与真实焊缝的截面吻合度极高,验证了上述两种模型的有效性与精确性,有利于提高电弧增材制造零件的加工精度与成型质量。     

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.     

碳钢双丝与单丝等离子弧增材制造成形及组织特征分析

针对传统丝材等离子弧增材制造碳钢效率低、质量高的特点,提出了一种"双填丝+压缩等离子弧"增材制造工艺,并采用该工艺增材制造了试样,对比分析了双填丝与单填丝增材制造试样的成形尺寸、显微组织特征和力学性能.结果表明,相对于单填丝等离子弧增材制造工艺,采用新型双填丝等离子弧增材制造工艺,在相同的工艺条件下,熔敷效率提高了0.97倍;平均晶粒尺寸由18.75 μm细化到13.47 μm;试样纵向拉伸抗拉强度提高了62.64 MPa,横向拉伸抗拉强度提高了67.52 MPa;试样有效层的平均显微维氏硬度由158.95 HV0.5增加到175.34 HV0.5.     

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.     

镁合金电弧熔丝增材成形质量控制研究

针对镁合金CMT电弧增材制造表面成形质量控制难题,开展了AZ31镁合金电弧熔丝增材制造的沉积行为、成形特性研究,以及单道多层增材构件表面质量控制试验。结果表明:镁合金电弧增材制造的工艺参数优选范围较大,电流为120～160 A、沉积速度为10～12 mm/s时,沉积层宽度均匀一致,宽高比和接触角也较大;采用CMT工艺制备的镁合金单道多层增材试样力学性能无明显各向异性,抗拉强度为243 MPa,屈服强度为109 MPa,断后伸长率在23%左右,显微硬度平均值为57 HV。     

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。     

钛合金多层多道电弧增材制造成形特性研究

采用Ti6321A焊丝进行电弧增材制造,研究层与层、道与道之间的金相关系,表征多层多道增材组织特征,分析其对性能的影响规律。结果发现,交错式堆积方式获得的增材制造部件,成形良好,内部无缺陷。终道熔敷层,晶粒较为粗大,最后形成贯穿上下2层焊缝的柱状晶,内部主要为针状马氏体和残余β相;中部存在层间和道间2种位置结构,其中层间交界组织受到3次热循环,柱状晶被破碎,晶粒趋向于等轴晶,而且α相含量增多;而层间填充部分,由于冷却速度较快,高温停留时间较短,形成细小密集的魏氏组织;道间出现了较为明显的晶粒尺寸差异,这与道间温度过高、熔敷层表面出现凹坑、在2次填充时出现不同熔敷层"混层"现象有关。基板与增材界面热输入小,晶粒较为细小,同时由于后热作用晶粒得到一定程度的破碎,趋向于等轴化,而且进一步降低了界面处的应力水平。拉伸试验结果显示,增材制造材料的平均抗拉强度为870 MPa,断后伸长率为13.3%,上下2层增材制造的材料均匀性较好,没有上下层的明显差异,表现出稳定的力学性能。     

旁路耦合三丝间接电弧增材制造成形特性

采用旁路耦合三丝间接电弧焊( bypass coupling triple-wire gas indirect arc welding,BCTW-GIA焊)进行Q345低碳钢增材制造. 利用高速成像设备研究了旁路电流变化对电弧特性的影响,并观察了对应的焊缝成形特性. 结果表明,随着旁路电流的增加,间接电弧占比逐渐减少,而直接电弧占比逐渐增加,焊接热输入逐步提升,焊缝的接触角逐渐减小. 当旁路电流为155 A时,可在表面成形良好的前提下得到铺展性最优的单道焊缝. 采用此参数进行单道多层增材得到了直壁墙体,沉积速率高达13.3 kg/h. 该增材制造方法具有较高的熔敷效率和较低的热输入,有利于改善增材试样的显微组织,并提高试样的平均硬度. 试样底部、中部及顶部区域的平均硬度分别为 186.80,172.44,176.04 HV.     

基于层宽控制的AZ91镁合金TIG电弧增材工艺优化

针对镁合金电弧增材制造表面成形质量控制的难题,通过Design-Expert软件对AZ91镁合金TIG电弧增材的电流、送丝速度、增材速度等工艺参数和熔覆层层宽之间进行建模,探索了各工艺参数对增材层宽的影响规律,并利用增材主要工艺参数和尺寸的数学模型优化了增材电流,根据电流优化值来控制直壁构件层宽。结果表明,对层宽影响最大的是增材电流,其次是增材速度,影响最小的是送丝速度;采用优化后的工艺增材制备的单道多层构件自上至下的层宽波动起伏小,层宽偏差值由4.54 mm减小到0.94 mm,提高了AZ91镁合金增材成形质量。     

基于TIG三丝电弧增材制造Al-Zn-Mg-Cu合金成形规律探究

采用基于TIG三丝电弧增材制造系统,通过提前对增材构件进行成分设计,选择增材目标成分为7050铝合金,确定了三丝的送丝速率。系统探究了平均脉冲电流与沉积速度在3 mm厚5A06薄板下单层单道成形的影响规律,并找到了成形较好的工艺区间。在该工艺区间内进一步探究了不同脉冲电流与沉积速度对多层单道成形的影响规律。结果表明,随着脉冲电流逐渐增加,沉积构件宽度随之增加,层高减小;而随着沉积速度逐渐增加,沉积构件宽度与层高都随之减小。     

低频机械振动对电弧增材制造低碳钢组织和力学性能的影响

电弧增材制造由于其沉积效率高、生产成本低,在制造大尺寸金属零件方面受到广泛的关注。探究了低频机械振动对电弧增材制造制备的低碳钢薄壁零件微观组织和力学性能的影响。研究发现,在0～20 Hz频率和0～0.7 mm振幅范围内的机械振动可以细化电弧增材制造低碳钢晶粒尺寸,提升其拉伸强度。随着频率从0增加到20 Hz,平均晶粒尺寸由7.60μm降至6.67μm,降低了12%,抗拉强度和屈服强度分别提升至497.5 MPa和385 MPa;随着振幅从0增加到0.7 mm,平均晶粒尺寸由7.60μm降至6.35μm,降低了16%,抗拉强度和屈服强度分别提升至500 MPa和385 MPa。利用低成本的机械振动辅助电弧增材制造可以优化低碳钢的组织和性能,这为高性能增材制造提供了参考。     

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。     

层间高速摩擦复合WAAM铝合金构件组织与力学性能

为提高丝材电弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)构件性能,提出了一种电弧增材制造复合层间高速摩擦(wire arc additive manufacturing hybrid interlayer high speed friction,WAAM-HSF)的方法. 采用直径1.2 mm的4047铝硅焊丝,使用WAAM-HSF方法进行薄壁构件制造,对比研究了WAAM和WAAM-HSF对铝合金薄壁构件的微观结构和力学特性的影响. 结果表明,WAAM和WAAM-HSF构件的微观结构中存在着大量的柱状树枝晶. 与WAAM相比,WAAM-HSF构件的微观结构明显细化. 同时,不同工艺的晶粒分布趋势一致,即晶粒直径在两个薄壁中从顶部到底部逐渐减小. 在相同区域,WAAM构件的晶粒尺寸大于WAAM-HSF构件. 通过破坏外延结晶的生长,达到细化晶粒的目的. 与WAAM相比,WAAM-HSF构件的平均断后伸长率减小了5%;但WAAM-HSF构件的平均显微硬度和平均抗拉强度则分别提高了9.96 HV和17 MPa.     

双钨极TIG电弧增材熔敷道成形特性研究

双钨极TIG电弧具有低电弧压力特性，能够在大电流下避免驼峰、咬边等缺陷，提高熔敷效率。为将其应用于增材制造，采用单丝输送和双丝输送两种模式，针对200 A以上的大电流双钨极TIG电弧，研究熔敷电流、送丝速度、行走速度对熔敷成形的影响。结果表明，在单丝输送模式下，200～350 A电流范围内，送丝速度过快会导致熔敷道铺展不良，而在350 A以上，送丝速度过快会导致插丝缺陷；采用双丝输送模式，能提高电弧熔丝热效率，有效降低插丝倾向，提高熔敷效率。最终得出200～650 A电流下的最大许用送丝速度和行走速度范围，为双钨极TIG电弧增材制造提供了成形良好的工艺窗口。双钨极TIG电弧增材在650 A熔敷电流下依然能够成形良好，熔敷效率达到5.36 kg/h。     

随焊超声搅拌对铝合金电弧增材制造组织及性能的影响

在5356铝合金电弧增材制造时，采用随电弧同步移动的搅拌针在熔池内施加不同频率（30、40、50kHz）超声搅拌，结果表明：增材层组织与未施加超声搅拌时相比，晶粒细化，柱状晶数目减少，等轴晶数目增加；且随着超声频率增加，晶粒细化更加明显；增材层孔隙率随超声搅拌频率增加呈降低趋势，在30、40、50 kHz时分别为0.73%、0.64%、0.59%，但均高于未加超声搅拌的试样（0.2%）；随着超声搅拌频率增加，增材层强度与塑性均有所提升：增材层的抗拉强度在0、30、40、50 kHz时分别为266.57、278、282、299 MPa，伸长率分别为30.67%、31.54%、35.53%、41.86%。     

单道多层电弧增材制造成形控制理论分析

文中采用冷金属过渡（CMT）技术,围绕船用高强钢的电弧增材制造（WAAM）开展研究. 分析不同比例的保护气体对单道单层形貌尺寸的影响. 结果表明,单道单层的润湿铺展能力随着保护气中CO₂含量的增加而提高,并建立了能够准确预测80%Ar + 20%CO₂混合气体保护下单道单层截面轮廓的全周期余弦函数模型. 依据单道多层电弧增材的成形特点,利用面积关系并根据几何形貌建立了单道多层抬升量h的预测模型,抬升量h预测值的相对误差不超过3.50%. 通过建立抬升量预测模型,为单道多层的电弧增材成形控制提供了理论支撑.     

ZM5镁合金TIG焊再制造熔敷层组织与力学性能

采用手工钨极氩弧焊(TIG焊)在ZM5合金上制备镁合金单道、多道熔敷层,研究熔敷层的组织和力学性能。微观组织和物相分析表明,熔敷层由α-Mg相和β-Mg17Al12相组成,其晶粒较母材明显细化,热影响区晶粒较粗大;硬度分析表明单道熔敷层硬度达到80 HV0.05以上,而多道熔敷层的硬度约为77 HV0.05,均优于母材,热影响区的硬度与母材相当;摩擦磨损性能分析表明,熔敷层以磨粒磨损为主,平均摩擦因数为0.48,母材以粘着磨损为主,平均摩擦因数为0.42。试验验证了镁合金熔敷成形再制造的可行性,为ZM5镁合金多样性损伤的修复提供数据支撑。