电弧增材制造舰船用高强钢10CrNi_3MoV的组织及性能

采用电弧增材制造技术制备了舰船用高强钢10CrNi_3MoV试样。分析和评价了10CrNi_3MoV舰船用高强钢电弧增材制造试样的物相组成、显微组织结构、晶体结构和力学性能。通过对10CrNi_3MoV高强钢电弧增材制造试样的组织及性能研究发现:采用电弧增材制造技术制备的10CrNi_3MoV舰船高强钢试样成形质量良好,未出现较大的缺陷,试样内部冶金结合良好,金相组织主要为针状铁素体、块状铁素体和粒状贝氏体;试样截面显微硬度分布较均匀,平均显微硬度约为217HV_(0.2)。试样的力学性能优良,横向平均屈服强度为498MPa,平均抗拉强度为676MPa,平均伸长率为25.5%,-40℃时夏比冲击值为127J;纵向平均屈服强度为459MPa,平均抗拉强度为648MPa,平均伸长率为23.5%,-40℃夏比冲击值为109J。     

变质细化和热处理对挤压铸造成形A356铝合金构件性能的影响

用Al-10Sr变质剂和Al-5Ti-B细化剂处理A356铝合金熔体,并结合挤压铸造和T6热处理工艺,研究变质细化与热处理对A356铝合金挤压铸造件的组织和性能的影响规律。结果表明,随着Al-10Sr变质剂加入量的增加,共晶Si的形貌由片状和长杆状变为颗粒状和蠕虫状,α-Al的晶粒尺寸先减少后增大。当Al-10Sr的加入量(质量分数)为0.3%时,挤压铸造成形件的最优抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为221.3 MPa、104.5 MPa和10.3%。Al-10Sr变质能提高形核率、细化α-Al晶粒尺寸和改变共晶硅形貌,使铸造件的力学性能提高。随着A-5Ti-B的增加,晶粒尺寸先降后增,力学性能先增后降。Al-5Ti-B的加入量为0.6%时,最优抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为215.6 MPa、106.6 MPa和9.0%。T6热处理(固溶540℃/4 h+时效190℃/4 h)使屈服强度和抗拉强度显著提高和延伸率降低。经过0.6% 的Al-5Ti-B细化处理,T6处理挤压铸造件的最优的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为297.5 MPa、239.3 MPa和8.0%。共晶硅的球化和细化、成形件成分的均匀化以及Mg₂Si强化相在基体中弥散析出,是热处理后构件力学性能提高的主要原因。     

交变磁场对高硬熔覆层成型质量的影响

为改善激光熔覆高硬熔覆层的成型质量,外加辅助交变磁场是行之有效的方法。本工作设计了一种可调频、调幅的简易机械式类正弦交变电磁场发生装置,在激光熔覆过程中辅助施加了类正弦交变磁场,通过改变磁感应强度和交变频率,在Q235A表面制备了单道和多道高硬合金熔覆层,通过对熔覆层的宏、微观检测,研究了交变磁场对熔覆层几何特征、稀释率和微观组织的影响。研究结果表明,当磁场频率和磁感应强度变化时,熔覆层宽度波动范围很小,且平均值基本保持不变;熔覆层高度和接触角随着磁感应强度的增大而减小;稀释率的大小基本不受磁场参数变化的影响;在磁场作用下,熔覆层中气孔向熔覆层表面迁移,熔融金属对流加剧,粗大枝晶破断,熔覆层组织更加均匀致密。     

TC4钛合金表面电子束熔覆Ti40阻燃钛合金工艺研究

目的在TC4表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金,并研究熔覆试样的组织与力学性能。方法采用电子束在TC4钛合金表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金。采用光学显微镜(OM)分析熔覆试样的显微组织,用显微硬度计分析熔覆试样的显微硬度,用电子万能拉伸试验机分析熔覆试样的力学性能。结果在选定的最佳工艺参数下,熔覆层与基材熔合良好,熔覆层为均匀分布的等轴β晶粒,表面及熔合区组织晶粒细化。添加椭圆形扫描波形能使气孔缺陷明显减少,表层更加均匀,组织更细小。扫描波形对熔覆层显微硬度的整体分布形态影响不明显,Ti40熔覆层在上表面及熔合区附近的显微硬度比熔覆层中部略高。室温下力学性能测试结果表明,加扫描时成形试样的抗拉强度为857.3MPa,相对于基材降低了些许,断裂伸长率达到了42.69%,比TC4钛合金基材提升了约70%。结论采用电子束在TC4表面熔覆Ti40阻燃钛合金,能够获得良好的熔覆层组织以及力学性能。     

Al-5Ti-0.25C细化剂对2024铝合金组织及力学性能的影响

研究了Al-5Ti-0.25C细化剂对2024铝合金铸态显微组织及力学性能的影响。试验结果表明:未添加细化剂时,2024铝合金显微组织呈粗大的枝晶状,平均尺寸约为150μm;添加Al-5Ti-0.25C后,晶粒为细小的等轴晶。本试验条件下,最佳的细化剂添加量为0.3%,此时,2024铝合金的平均晶粒尺寸为56μm,其力学性能得到显著提高,抗拉强度和延伸率分别为382 MPa、2.60%,与未细化试样相比增幅分别为12.4%、69.9%。     

冷金属过渡电弧增材制造强制限位冷却工艺研究

目的 针对冷金属过渡(CMT)电弧增材制造过程中不稳定气流环境造成的熔池流动不均、墙体成形异常以及墙体内部气孔过多和晶粒粗大的问题,研究增强沉积墙体组织性能的工艺。方法 开发了CMT电弧增材制造强制限位冷却工艺,通过控制电弧增材制造的沉积区间和凝固过程,来改善沉积墙体的结构性能。结果 沉积墙体平均沉积速度由0.120 mm/s升到0.149 mm/s,材料利用程度由78.2%升到83.2%,孔隙率由2.15%降到1.06%,平均晶粒度由15.7 μm降到13.3 μm。同时提高了沉积墙体的韧性,沉积墙体横向平均极限拉伸强度由157 MPa升到179 MPa。结论 CMT电弧增材制造强制限位冷却工艺制造的沉积墙体在沉积速度和材料利用程度方面有了相应提高,同时强制限位冷却工艺改善了沉积墙体的结构性能,这对增材制造具有一定的指导意义。     

7075铝合金熔覆层的搅拌摩擦加工研究

7系超硬铝合金广泛应用于航空航天以及汽车等领域,钨极惰性气体保护(tungsten inert-gas, TIG)电弧焊可用于构件的修复,但熔焊缺陷以及专用丝材的缺乏使得熔覆层的强度不足。采用ER5356铝合金焊丝对7075-T6合金进行熔覆修补,并对TIG熔覆层进行搅拌摩擦加工(friction stir processing, FSP),以期改进熔覆层力学性能。固定TIG焊工艺参数和搅拌头行进速度,研究了搅拌头转速对熔覆层组织、力学性能以及断裂行为的影响,结果表明：TIG熔覆区由粗大的树枝晶组成,FSP消除了熔覆区的宏观缺陷,显著细化晶粒并减小了搅拌区与母材的成分差异。TIG熔覆试样拉伸断口位于硬度和强度最低的熔覆区中心。FSP显著提高了熔覆层的硬度和强度,拉伸断口位于前进侧的热机械影响区。随转速增大,搅拌区平均晶粒尺寸降低,热机械影响区和搅拌区的强度提高而塑性降低。     

倾斜薄壁增材过程中基板的热应力数值模拟

利用电弧增材制造技术加工倾斜薄壁时,循环热力效应下,熔覆层与基板结合处应力较为集中,易导致基板变形翘曲,严重影响零部件的成形。为了明确增材倾斜薄壁不同层间偏移量和不同基板厚度下基板的热应力演化,本文采用不锈钢焊丝在Q235基板上进行沉积试验,利用COMSOL建立有限元模型,分析基板横向温度梯度和等效应力的变化。结果表明,基板的横向温度梯度在熔覆层边缘达到最大值,在距离熔覆层中心超过5 mm后趋于最小值;随着层间偏移量的增大,基板的横向温度梯度最大值逐渐减小,但基板上的等效应力逐渐增大;随着基板厚度的增加,基板的横向温度梯度最大值逐渐减小,同一测量点的横向温度梯度和等效应力也随之减小。因此,在倾斜薄壁增材中,不同的层间偏移量主要影响基板上横向温度梯度的分布和熔覆层与基板结合处的等效应力,更大厚度的基板能够有效减小基板上的横向温度梯度,从而减小变形,这对于增材初期倾斜薄壁结构中基板的变形控制具有一定的参考意义。     

外加直流磁场下微束等离子电弧行为与焊缝成形研究

为实现薄壁件金属在增材制造中成形及成性的精确控制,基于带电粒子在直流磁场作用下的运动规律,研究了外加直流磁场作用下电弧行为,得到电弧偏转程度、偏转方向与外加磁场之间的关系.在电弧偏转的基础上分析了焊缝形貌、焊缝晶粒变化原因.结果表明:外加直流磁场作用下电弧发生偏转,在试验参数范围内随磁场强度增加,电弧偏转程度增大,且电弧偏转方向与外加磁场方向相关;外加正向直流磁场时熔池向焊接方向后方偏移,焊缝余高相对增加,焊缝晶粒较无外加磁场细化;外加反向直流磁场时熔池位于电弧下方,焊缝余高相对降低,焊缝晶粒较外加正向磁场更加细化.外加正向直流磁场控制焊缝形貌,具有"控形"效果;外加反向直流磁场有明显的细化晶粒作用,可以达到"控性"目的.     

超声辅助CMT电弧增材制造TC4钛合金微观组织和力学性能研究

目的研究超声辅助对CMT电弧增材制造钛合金TC4微观组织及力学性能的影响。方法 CMT增材制造TC4钛合金的同时利用超声辅助设备进行振动辅助,采用不同的振动功率和不同的振动位置对增材后的TC4力学性能和微观组织进行对比分析。结果 600 W超声辅助振动基板时的钛合金试样成形美观,力学性能优异。水平方向上,抗拉强度平均值为952.7 MPa,伸长率平均值为7.46%;垂直方向上,抗拉强度平均值为905.83 MPa,伸长率平均值为11.03%,相较未施加超声振动增材试样的力学性能有明显提高。结论超声辅助的引入有效提高了熔池的深宽比,加快了熔池冷却速度,柱状晶尺寸也明显减小,针状马氏体数量增多,得到的钛合金力学性能和微观组织均良好。     

CMT电弧增材制造GH4169合金的组织和拉伸性能

目的研究冷金属过渡CMT电弧增材制造GH4169合金单道多层薄壁试样的组织和拉伸性能。方法利用CMT增材制造成形系统进行GH4169合金的单壁墙增材制造试验,分析了成形薄壁试样的组织演化和力学性能,讨论了柱状晶组织的各向异性以及均匀化处理对合金力学性能的影响。结果成形试样的显微组织主要为γ相和共晶(γ+Laves)相,试样沿沉积方向具有[100]择优取向。枝晶组织随着沉积层数的增加变得粗大,枝晶间距变大且二次枝晶臂变小,Laves相的取向特征越明显。从底部区域到顶部区域,试样枝晶臂间距λ_1从13.76μm增大到23.27μm。沿柱状晶生长方向的抗拉强度最大,约为774 MPa;而沿电弧行走方向的抗拉强度随沉积层数的增加逐渐减小,断后伸长率逐渐增大,最大抗拉强度约为763MPa。1170℃固溶+时效处理后,原粗大柱状晶形成较小的多边形晶粒,成形试样组织的均匀性提高,沉积方向最大抗拉强度为1222 MPa,沿电弧行走方向最大抗拉强度为1085 MPa。结论 CMT增材制造GH4169合金组织特征与激光增材制造的试样基本一致,热处理前后CMT成形GH4169合金试样抗拉强度均小于激光立体成形,但伸长率更大。     

基于回归方法和神经网络的电弧增材制造单道成形形貌预测

目的 针对电弧增材制造技术实际应用中工艺参数选取困难和成形结果难预测的问题,确定高效、准确的电弧增材制造单道成形形貌预测的数学方法,以快速、方便地选取丝材电弧增材制造工艺参数并指导成形质量控制。方法 在单道单层丝材电弧增材制造实验的基础上,采用多种回归方法和神经网络方法分别建立焊接电流、电压和焊枪移动速度等多个工艺参数与增材层宽度、增材层高度及熔池深度等成形形貌参数之间的数学关系模型。结果 电弧增材制造单道成形形貌与焊接电流、电压和焊枪移动速度显著相关,且各参数间存在非线性交互作用;采用多元线性回归法可较准确地预测单道增材层宽度,但对于增材层高度和熔深的预测效果较差;神经网络可良好地处理各工艺参数间复杂的非线性关系,其对增材层宽度、增材层高度和熔深的预测平均误差率分别为4.17%、6.60%和7.01%,显著优于多元线性回归法。结论 采用神经网络法可以准确预测电弧增材制造单道成形的形貌参数,进而指导增材制造工艺参数的选取和成形质量的控制。     

电弧熔丝增材制造铝合金研究进展EI北大核心CSCD

电弧增材制造因其独特的无模壳快速近净成形特点而备受关注,有望成为突破铝合金材料研发与工业应用瓶颈的先进制造技术。电弧增材技术在传统电弧焊接的基础上发展而来,二者均以高能电弧为热源、以金属丝材为原材料进行成形。本文综合分析了电弧增材制造工艺与设备研发现状、凝固与固态相变特性、显微组织特点、冶金缺陷概况以及力学性能特点,论述了热丝及多丝增材制造技术前景和电弧增材制造独特的成形方式与相变显微组织特征。针对电弧增材制造铝合金制造精度及稳定性较差、气孔及热裂缺陷严重、材料力学性能优势不突出的问题,提出了电弧增材制造专用设备开发、熔丝累加快速凝固冶金缺陷控制专用方法研发、专用材料成分及显微组织设计、专用热处理工艺制定等发展方向,为加快电弧增材制造铝合金高端化、定制化、专属化发展提供重要参考。     

Al-5Ti-1B加入速度对8079合金铸轧铝板坯组织及力学性能的影响

目的 优化晶粒细化剂Al-5Ti-1B的加入速度,以改善8079铝合金铸轧板坯质量。方法 用电解铝液配料直接铸轧生产8079铝合金铸轧板坯,采用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和电子万能力学实验机等手段,研究了在晶粒细化剂Al-5Ti-1B加入速度(175、185、195、205 mm/min)不同时铝合金铸轧板坯显微组织和力学性能的变化规律,并对其影响机理进行了探讨。结果 随着晶粒细化剂Al-5Ti-1B加入速度的增大,铸轧板坯晶粒尺寸先急剧减小后趋于平缓,其抗拉强度和断后伸长率先增大后减小。当加入速度为175 mm/min时,铸轧板坯晶粒尺寸约为110 μm,其抗拉强度和断后伸长率分别为113.0 MPa和22%;当加入速度为185~195 mm/min时,铸轧板坯晶粒细小、分布均匀,尺寸为57~59 μm,其抗拉强度不低于134.3 MPa,断后伸长率不低于36.0%;当加入速度为205 mm/min时,铸轧板坯晶粒尺寸变化不大,尺寸约为56 μm,但在基体组织中开始出现偏析聚集现象,力学性能急剧下降,抗拉强度仅为89.7 MPa,断后伸长率仅为16.7%。能谱检测结果表明,铸轧板坯夹杂缺陷主要由Ti、Al、O、Fe和Si等元素组成,夹杂缺陷的存在破坏了基体组织的连续性。结论 当晶粒细化剂Al-5Ti-1B的加入速度为185~195 mm/min时,8079铝合金铸轧板坯具有更优的显微组织和力学性能。     

30CrMo板CMT再制造熔覆层成形及组织性能

目的 研究预制槽坡口角度对冷金属过渡(CMT)再制造30CrMo板熔覆层成形质量的影响规律,探明熔覆层的微观组织和力学性能,为30CrMo零部件CMT再制造提供参考。方法 利用CMT再制造含预制槽的30CrMo板,分析预制槽坡口角度对熔覆层成形质量的影响;基于优选的坡口角度,对30CrMo腰型槽进行CMT再制造,研究所得熔覆层的成形质量,利用金相显微镜表征熔覆层的微观组织,并测试熔覆层的力学性能。结果 预制槽坡口角度对最后一道焊缝与母材的熔合有显著影响,坡口的角度应不小于40°;腰型预制槽再制造时,焊道与母材、焊道间形成了良好的冶金结合,熔覆层主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成,微观组织形态主要是柱状晶和等轴晶,不同区域的微观组织形态存在差异;40°坡口熔覆层的抗拉强度可达1 014 MPa、伸长率为10.88%,50°坡口熔覆层的抗拉强度可达1 128 MPa、伸长率为6.39%。结论 熔覆层和母材形成了良好的冶金结合,熔覆层具有良好的力学性能,满足30CrMo钢的再制造强度要求,采用CMT进行30CrMo板再制造是可行的。     

铝/铜异种材料交变磁场辅助电弧熔钎焊接头组织和性能

添加纵向交变间歇磁场,采用ER5356铝镁焊丝作为填充金属,对T2紫铜板和2A16铝合金板进行熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)对接试验,通过研究不同励磁电流IE和励磁频率f等磁场参数下的接头成形、界面组织结构和接头力学性能,得到接头的最佳工艺范围.结果表明:引入磁场实现了铝铜异种材料MIG熔钎焊接头的有效连接.铜侧钎缝连接界面层由金属间化合物(IMC)层和过渡层组成,其中IMC层为AlCu+Al2Cu化合物,过渡层组织为α-Al+S(Al2CuMg)/Al2Cu相.IMC层与过渡层犬牙交错,起到"机械咬合"的效果,提高接头强度.随着励磁电流的增加,IMC层平均厚度先减小后增大,抗拉强度先增大后减小;随着励磁频率的增加,抗拉强度逐渐减小.最佳工艺范围为:IE=0.5～0.7 A、f=15～25 Hz、IMC层平均厚度d=14.3～15.8μm,此时接头成形表现良好,抗拉强度较高.当IE=0.6 A,f=15 Hz,接头的抗拉强度最高达到135.47 MPa.此时界面层显微硬度为252.8HV,明显高于焊缝和母材,这可能是IMC层处呈脆硬性的AlCu和Al2Cu金属间化合物所致.     

5A06铝合金TIG丝材-电弧增材制造工艺

选用Φ1.2mm的5A06铝焊丝为成形材料,研究TIG丝材-电弧增材制造工艺。以TIG焊机为电源(交流模式),以四轴联动数控机床为运动机构,研究单层和多层成形时预热温度和电流对成形形貌的影响,观察成形件微观组织,并测试其力学性能。建立了单层单道基板预热温度和电弧峰值电流工艺规范带判据,以保证良好成形。结果表明:成形件的高度从第一层的3.4mm急剧下降,直到第8层后高度稳定在1.7mm。层间组织为细小的树枝晶和等轴晶;层间结合处组织最粗大,为柱状树枝晶;顶部组织最细小,由细小的树枝晶转变为等轴晶。成形件的力学性能各向同性,抗拉强度为295MPa,伸长率为36%。     

双填丝等离子弧增材制造高强高硬高氮钢组织与特性研究

针对等离子单填丝增材制造电弧热量利用率低和熔丝效率低,容易造成增材金属过热的问题,以高氮钢丝材为熔化材料,采用单电弧双填丝共熔池的等离子弧增材制造工艺制备了高氮钢直壁体试样.采用游标卡尺、光学显微镜、扫描电镜和力学性能试验等手段,分别对单填丝和双填丝两种工艺增材直壁体的成型尺寸、熔敷效率、显微组织、力学性能和断裂形式进行了对比检测分析.然后详细考察了丝材熔敷量增加对试样组织和力学性能的影响,并分析双填丝等离子弧增材制造高强高硬高氮钢构件的组织变化规律和性能变化规律.结果表明,相对于单填丝增材工艺,在同样的增材电流下,双填丝增材工艺中总填丝速度可以成倍增加,分层更加清晰,平均有效熔敷效率提高92％.试样的显微组织大部分为平行增材方向奥氏体柱状树枝晶,存在少量的δ铁素体和弥散分布的氮化物,少量奥氏体树枝晶生长的方向出现不一致.在同样的电弧进行速度下,双填丝等离子弧增材制造的试样的抗拉强度均有明显提升,最大提升可达到44 MPa;断后伸长率均有增加,最高提升了9.4％.试样的显微硬度比单填丝增材试样的显微硬度略有提高.     

激光选区熔化成形高强铝合金晶粒细化抑制裂纹研究现状EI北大核心CSCD

高强铝合金(2×××,7×××等)因具有比强度高、加工性好等优点而被航空航天、汽车等领域广泛应用。随着大推重比飞行器设计及汽车轻量化技术的发展,轻质结构材料的需求日益增加,同时零部件也面临着“薄壁化、中空化、复合化”的发展趋势,高强铝合金的传统加工方法越来越难以满足要求。近年来,激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)作为一种常见的金属增材制造技术(additive manufacturing,AM)在复杂零部件成形领域受到关注,有望成为进一步拓宽高强铝合金应用领域的新兴技术。然而,SLM成形高强铝合金因易产生周期性热裂纹和粗大柱状晶不良组织等问题而发展缓慢,晶粒细化是克服增材制造高强铝合金这一固有热裂问题的关键所在。本文综述了近年来SLM成形高强铝合金显微组织和力学性能调控等方面的研究进展,归纳了不同体系合金的力学性能,重点阐述了抑制SLM成形高强铝合金中热裂纹形成的主要策略,包括SLM工艺参数优化以及通过微合金化或添加纳米颗粒细化晶粒等方法。指出当前研究存在的主要问题是合金成分的改变对材料综合性能以及热处理制度的影响规律尚不清晰等,并展望了未来的发展趋势,如SLM成形新型高强铝合金成分设计与综合性能评价、利用后处理工艺等手段进一步提升合金综合性能以及专用晶粒细化剂的设计与细化机制探究等。     

轴类零件电弧熔丝轧制复合增材修复工艺研究

目的 针对电弧熔丝增材修复轴类零件时修复层出现柱状晶粒、修复质量不佳等问题,进行电弧熔丝和轧制复合的增材修复工艺研究。方法 研究了电弧熔丝和轧制复合的轴类零件修复工艺,即在焊枪后紧邻一个轧辊,对沉积层进行轧制,使材料在高温下发生塑性变形。开发、制造和测试了一种新型设备,并在316L不锈钢轴上进行了修复实验。研究了轧制对修复件拉伸性能、硬度和微观结构的影响,并对沉积层和结合界面进行了电子背散射衍射(EBSD)表征。结果 轧制导致了动态再结晶(DRX)形核从而细化了微观组织。与基体金属相比,修复层的硬度提高了20%~30%,屈服强度从220 MPa提高到432 MPa,极限抗拉强度从540 MPa提高到595 MPa。结论 采用电弧熔丝和轧制复合的修复工艺可以细化修复层微观组织,提高修复层的力学性能,该工艺可以有效解决轴类零件的修复问题。