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.     

超声波冲击法对S355J2W+N钢焊接接头疲劳性能的影响规律动态研究

采用超声波冲击方法，对轨道客车转向架焊接构架用S355J2W+N耐候钢对接焊接接头进行了消应力处理，然后对焊态和超声波冲击态的两类焊接接头，分别进行了拉伸试验和指定寿命为1.0×10⁶,2.0×10⁶,3.0×10⁶,4.0×10⁶,6.0×10⁶和1.0×10⁷次共6种次数的循环脉动拉伸疲劳试验。试验结果表明：经超声波冲击处理后，焊接接头的屈服强度由272 MPa提高到了428 MPa,提高了57.4%;平均抗拉强度从408.5 MPa提高到了530.7 MPa,提高了29.9%;指定寿命为2.0×10⁶,3.0×10⁶,4.0×10⁶,6.0×10⁶和1.0×10⁷次循环脉动拉伸疲劳试验后的中值疲劳极限分别提高了54.3%,27.2%,45.4%,74.5%和89.2%,1.0×10⁶次循环脉动拉伸疲劳试验未断裂。超声波冲...     

选区激光熔化制备Ti-6Al-4V合金的热处理工艺及力学性能

采用选区激光熔化技术(SLM)制备Ti-6Al-4V合金圆棒试样,通过不同的热处理工艺改善材料的拉伸性能,并对SLM制备的Ti-6Al-4V合金试样开展了高周疲劳性能测试。通过微观组织和疲劳试样断口分析,揭示了显微组织结构与拉伸性能的关系,以及Ti-6Al-4V合金的疲劳裂纹起始源和裂纹扩展机理。结果表明,热处理工艺对SLM成型Ti-6Al-4V合金的力学性能有显著的影响,920 ℃×1 h水冷,随后800 ℃×2 h炉冷的固溶时效热处理制度可以获得较好的综合室温拉伸性能。其室温组织为晶界上分布的α相和晶粒内部片层状分布的α+β相。SLM成型Ti-6Al-4V合金显微组织中的晶界形成与扫描路径相关,热处理过程中α相会优先在扫描分区搭接处析出。与手册锻件的疲劳寿命曲线比较,在同样的最大应力水平下,增材试样的疲劳寿命比锻件的疲劳寿命低,这种降低的趋势随着应力水平的降低而逐步增大。在400 MPa的应力水平下(R=-1),锻件的疲劳寿命已经在2×10⁷水平,增材试样的疲劳寿命依然较低,约为锻件的1%。SLM成型Ti-6Al-4V合金的应力疲劳寿命偏低,是由于试样中存在未熔合缺陷造成。扫描分区搭接处易产生未熔合缺陷,而疲劳裂纹也会沿着这些缺陷扩展。     

基于开源切片路径规划的机器人电弧增材制造系统

为提高电弧增材制造的灵活性和路径规划可靠性,使用ABB IRB1410工业机器人和Fronius CMT TPS3200焊接电源,通过Python自主编程利用开源切片软件Cura,成功搭建了电弧增材制造系统,自主开发了电弧增材制造软件,并进行了4043铝合金电弧增材成形. 结果表明,自主开发的电弧增材软件能够读取开源切片软件Cura输出的二维路径数据,并进行转换和输入工业机器人,控制焊枪运行路径和焊接电源运行参数,有效实现电弧增材制造. 使用直径1.2 mm的4043铝合金焊丝,在送丝速度为3.2 m/min、焊接速度8 mm/s、层高1.65 mm、氩气保护气体流量15 L/min条件下,分别成功制备71层单道多层试样和58层单道多层壳体零件. 试样微观组织分析结果表明,成形件凝固组织为典型柱状晶,层与层之间搭接良好. 壳体零件形状完整、表面质量良好.     

高温服役后TP347HFG钢的组织与性能

利用金相显微镜、SEM、EDS和万能试验机分析了过热器管TP347HFG钢高温运行1.2×10⁴ h和7.5×10⁴ h后的组织与性能。结果表明,高温服役1.2×10⁴ h和7.5×10⁴ h后,TP347HFG钢仍保持明显的孪晶特征,析出的NbC有利于保持材料的组织稳定性。TP347HFG钢高温服役后力学性能能够保持稳定,随服役时间增加,强度增加而塑性变化不大。     

不同层间停留时间下电弧增材制造2Cr13薄壁件热力学行为

在电弧增材制造过程中，沉积件内部的热-力演变对成形件质量具有重要影响. 文中通过电弧增材制造三维有限元模型的建立，对层间停留时间分别为30，120，210，300 s的2Cr13沉积件温度场和应力场进行了模拟，模拟结果与测量结果基本一致. 结果表明，层间停留时间为30 s时构件的纵向残余应力分布显著差异于其它构件. 层间停留时间大于210 s时，再延长层间停留时间起不到明显降低应力的效果.电弧增材制造单道25层2Cr13薄壁件的层间停留时间在120~210 s之间较为合适.     

钛铜异种金属CMT熔覆成形特性研究

采用直径1. 2 mm的S201特制紫铜焊丝在Ti-6Al-4V钛板上进行CMT电弧熔丝增材制造制备了钛/铜复合结构,工艺参数为沉积速度5 mm/s、焊接电流43 A、电弧电压8. 4 V、送丝速度3 m/min。结果表明,增材试样基板-成形层界面由4层显微组织构成,即钛层、脆性金属间化合物TiCu和Ti_2Cu组成的近钛侧针状层、弥散分布着Ti_5Si_3的铜基固溶体组成的近铜侧深色弥散层以及弥散分布着黑色细小硅化物的柱状铜层。第二层铜和第三层铜间润湿性较差,熔宽较小。单道多层试样基板平均硬度为263 HV,成形层顶部硬度均接近50 HV,基板-成形层界面附近硬度很高,最高达到444 HV。     

Ti-6Al-4V钛合金热拉伸变形行为与本构方程

在变形温度600℃⁸00℃、应变速率0.01s-1800℃、应变速率0.01s-1⁰.33s-1条件下进行热态单向拉伸试验,研究Ti-6Al-4V钛合金的变形行为,以及变形性能与变形温度、应变速率之间的关系。结果表明,Ti-6Al-4V钛合金在变形过程中呈现两种变形特征,即稳态形与软化形,且随着变形温度的升高、应变速率的降低,流动应力降低,而延伸率则升高;基于Hooke定律和Grosman方程建立的Ti-6Al-4V钛合金热态成形本构方程,在整个变形区间内可以很好的表征材料的变形行为。     

回火时间对BS960E钢快速加热淬火后组织与性能的影响

采用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、能谱仪和X射线衍射等研究了回火时间对BS960E钢快速加热淬火后组织与性能的影响。结果表明：BS960E钢淬火后组织为板条状马氏体,其原始奥氏体平均晶粒尺寸为5.69μm,位错密度为4.02281×10¹⁵ cm^-2。随着回火时间的延长,马氏体板条结构逐渐分解;回火2 min时仍存在部分板条组织,有效晶粒尺寸(马氏体板条块)为2.47μm,位错密度急剧下降至9.48079×10¹⁴ cm^-2;回火15和30 min时马氏体板条开始粗化,小角度晶界密度占比降低,此时有效晶粒尺寸分别为2.57和2.59μm,位错密度分别为7.80957×10¹⁴和6.75406×10¹⁴ cm^-2;回火60 min时,马氏体板条块合并明显,大角度晶界密度及占比下降,有效晶粒尺寸粗化达到2.99μm,位错密度降低至5.19655×10¹⁴ cm^-2。碳化物的析出位置可分为...     

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。     

煤炭地下气化生产井井口装置冲蚀规律研究

目的 研究煤炭地下气化生产井口装置采气过程中,携带煤灰、煤渣的粗煤气对井口装置采气流场区域冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素。方法 基于气–固两相流理论,采用离散相模型(DPM)描述离散固相颗粒的运动学和运动轨迹,采用雷诺–平均–纳维–斯托克斯(RANS)方程计算连续相的流体动力学特性,通过数值分析得到主要冲蚀磨损位置,以及固体颗粒粒径、颗粒质量流量、粗煤气流速的变化对采气流场区域冲蚀率的影响,并通过实验进行验证。结果 主要冲蚀磨损区域在小四通和侧阀Ⅰ的内部壁面。固体颗粒粒径为20～200μm,小四通内壁面处,颗粒粒径为40μm时最大冲蚀率最大,为8.7×10^–7 kg/(m²·s),是粒径为180μm时的11.9倍。固体颗粒质量流量为2.5×10^–4～12.5×10^–4 kg/s,小四通内壁面处,在质量流量为12.5×10^–4 kg/s时,最大冲蚀率最大,为7.3×10^–7 kg/(m²·s),是质量流量为2.5×10^{–4 ...}     

不同工艺下镁合金MAO/GO/SA复合涂层的耐蚀性

为提高AZ91D镁合金基体的耐蚀性，采用微弧氧化、电沉积和自组装工艺在AZ91D镁合金表面制备了微弧氧化/氧化石墨烯/硬脂酸(MAO/GO/SA)复合涂层。通过SEM对复合涂层的微观组织结构进行了分析，利用电化学阻抗谱、极化曲线测试了复合涂层的耐蚀性能。结果表明，最佳电沉积电压为4 V,此时，MAO/GO复合涂层的电荷转移电阻(R_ct)为4.41×10⁵Ω·cm²,腐蚀电流密度(J_corr)为3.88×10^-7 A/cm²。醇水比为7∶3时，MAO/GO/SA复合涂层的R_ct值为3.07×10⁶Ω·cm²,J_corr为3.02×10^-8 A/cm²,达到超疏水状态，涂层耐蚀性最好。     

加砂压裂过程中套管孔眼抗冲蚀性能分析

目的 研究加砂压裂过程中,压裂液排量和含砂比对套管射孔孔眼冲蚀的影响规律。方法 运用CFD数值模拟方法,针对射孔套管内流场、流迹特性和颗粒轨迹开展模拟分析,并使用E/CRC和Oka冲蚀模型模拟了压裂施工排量为5～15 m³/min、压裂液含砂比为8%～23%工况下套管射孔孔眼及附近的冲蚀情况,总结其影响规律。结果 随着排量的增加,孔眼处流速激增,压降达到5.5 MPa,但在管底形成一定憋压。E/CRC冲蚀模型考虑了颗粒数量的影响,相比于Oka冲蚀模型更适合于压裂过程中套管孔眼系统冲蚀的实际情况,在孔眼处上部流量进口方向的冲蚀速度明显大于下部管道方向,且冲蚀程度向四周逐渐减小,E/CRC模型的最大冲蚀速率由2.14×10^-8 kg/（m²·s）上升至5.85×10^-8 kg/（m²·s）。随着压裂液含砂比的上升,E/CRC模型在孔眼处的最大冲蚀速率由2.21×10^-8 kg/（m²·s）上升至95.6×10^-8 k...     

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。     

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.     

增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展

增材制造技术成形Ti-6Al-4V点阵材料具有高强度、低密度、生物相容性好的性能特点,在航空航天、生物医疗、海洋等领域具有极大应用潜力。本文概述了近年来增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展,重点对选区激光熔化(SLM)和电子束选区熔化(SEBM)技术成形点阵材料的力学性能、失效行为、微观组织进行分析与总结。研究发现,SLM和SEBM技术均可获得保留原始结构特征的点阵材料,且增材制造骨骼型Diamond 极小曲面Ti-6Al-4V点阵材料抗压强度可达到411.71 MPa,屈服强度达到317.48 MPa,强度可与镁合金相媲美；点阵材料失效行为主要有45°剪切断裂以及水平断裂,剪切断裂型点阵材料强度较高,在承载方面具有独特优势,而呈水平方向断裂的点阵材料多为梯度型点阵材料,其应力应变曲线波动范围较小,在能量吸收能力方面表现出明显的优势；热处理可有效消除增材制造过程中带来的残余应力、降低粗糙度、转变亚稳、针状α"马氏体为α+β相,进而增加点阵材料的塑性,且不降低甚至提高部分Ti-6Al-4V点阵材料的强度。最后,对增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的现存弊端以及未来发展趋势进行了展望。     

增材制造Ti-6Al-4V合金组织及疲劳性能研究进展

金属增材制造技术可实现大型复杂钛合金零件的高性能自由实体成形,在航空、航天、动力、能源等领域的应用日益广泛。基于材料成形过程中组织和性能间的密切关系,本文简述了增材制造Ti-6Al-4V合金的沉积态和热处理态组织、织构特征,拉伸和疲劳性能,指出了当前增材制造Ti-6Al-4V合金研究中存在的关键问题,并对增材制造Ti-6Al-4V合金的发展趋势进行了预测。     

GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×10^(5)℃/s。热循环温度峰值超过2500℃,最高达2876℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

GH4169合金激光增材制造过程热-力发展数值模拟

为解决GH4169合金激光增材制造过程中变形甚至开裂的问题,采用直接耦合热弹塑性有限元方法对GH4169合金单道多层墙体激光增材制造过程温度和应力演变进行仿真分析。计算表明,激光增材过程沉积试件经过快速加热和凝固冷却过程,温度变化速率超过1×10~5℃/s。热循环温度峰值超过2 500℃,最高达2 876℃。激光沉积扫描过的区域因冷却收缩受到约束产生较高的应力。后道沉积时激光扫描到的区域温度再次升高,先会释放前道沉积形成的应力,随着温度降低会造成更大的应力。热源加载结束的一瞬间沉积层与基板连接的部分温度存在反常增加的现象。沉积层残余应力以拉应力为主,高达875 MPa,沿沉积方向的应力分量最大。基板在与沉积层结合部位附近残余应力达到800 MPa左右,与其相对应的远处分布有残余压应力。     

正火工艺处理的EH36船板钢疲劳裂纹扩展行为和断裂韧性

采用电子背散射衍射(EBSD)和扫描电镜(SEM)分析了正火工艺处理的EH36船板钢织构、再结晶和疲劳断口。并通过拉伸试验、疲劳裂纹扩展速率试验、疲劳断裂韧性试验及数值模拟等研究了正火工艺处理的EH36船板钢的疲劳裂纹扩展行为、疲劳断裂机理以及外载和应力比对应力强度因子幅值的影响。结果表明：EH36船板钢具有较强的{110}和{111}塑性织构成分，平均晶粒尺寸为8.2μm,变形晶粒所占比例为4.1%,伸长率为33.3%。通过双对数线性拟合得到应力比为0.03和0.1下的疲劳裂纹扩展寿命预测公式分别为da/dN=1.07×10^-9(ΔK)^3.49和da/dN=1.96×10^-9(ΔK)^3.35。通过J积分法计算出正火处理的EH36船板钢的疲劳断裂韧性K₍J0.2BL(30))为387 MPa·m^1/2。试验钢的疲劳断裂机制是解理穿晶断裂和微孔生长聚合断裂的混合断裂机制。多参数模拟表明在最大外载一定时，相同疲劳裂纹长度下的应力强度因子幅值随着应力比的增加而减...