电弧增材制造工艺方法、增材焊料及后处理的研究现状

电弧增材制造以其沉积效率高、增材速度快的特点,在大型构件的增材制造中有很大优势,进一步发挥增材制造优势是未来重要研究趋势.介绍了电弧增材制造的工艺方法,对比不同方法的沉积效率和性能特点,指出激光诱导电弧增材和热丝增材可以显著提高增材效率;总结了添加剂和焊料对沉积件性能的影响规律,发现层间添加剂有助于提高沉积件的力学性能以及减少缺陷.此外由于各种工件需适用于不同的工作环境,新型增材制造焊丝的开发研究也十分重要;介绍了增材后处理对沉积件性能的影响.发现增材后轧制、热处理等后处理工艺对电弧增材制造性能的提升效果明显.     

圆环构件增材制造残余应力模拟及尺寸效应分析

采用顺序热力耦合有限元模型对圆环构件激光沉积增材制造过程残余应力和残余变形进行数值模拟。在对直板激光沉积增材制造残余应力验证的基础上,对不同激光移动速度、不同尺寸环状构件激光沉积增材制造过程残余应力变化进行了系统的讨论研究。模拟结果表明,激光沉积增材制造后,环形构件残余变形以增材层径向向内弯曲和基板竖向向下弯曲为主;增材层残余应力依然以环向和竖向残余应力为主,最大拉伸残余应力接近材料屈服点。激光移动速度的减小将极大的影响增材层残余应力的分布,提高中间增材层内、外侧环向残余应力,并使得增材层径向向内弯曲量减小。在相同工艺下对不同尺寸环状构件进行激光沉积增材制造,环状构件截面内环向和纵向拉伸残余应力区域均将随构件尺寸的增大而增大,这与构件在经历多次热循环过程中的冷却速度有关。制造过程中可采取提高环境温度、降低冷却速率等方式降低大尺寸构件截面内拉伸残余应力,以提高激光沉积增材制造构件后期服役性能及安全性。     

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。     

电弧增材与激光增材复合制造GH4099的显微组织与力学性能研究

结合电弧增材制造沉积率高、成本低和激光增材构件质量高的优势,提出了电弧增材与激光增材复合的制造技术,用于高效、高质量GH4099材料零件制造。通过在电弧增材基板上进行激光直接沉积实验,对比了两种增材制造工艺所得涂层的显微组织和力学性能;探究了两种增材构件界面处的显微组织与力学性能。结果表明:电弧增材与激光增材的显微组织均沿沉积方向外延生长,且激光增材GH4099的显微组织要细于电弧增材的。在两种增材构件的交界处,当激光增材沉积方向与电弧增材沉积方向平行时,整体构件显微组织具有同一生长方向;并得到相比于垂直于电弧增材沉积方向时更高的力学性能。     

2Cr13不锈钢电弧增材制造成形件的组织和力学性能

选用准0.8 mm的2Cr13不锈钢焊丝为成形材料,在低碳钢基板上进行TIG电弧填丝增材制造成形,分析了不锈钢成形件的显微组织和力学性能。结果表明:电弧增材制造成形件满足2Cr13不锈钢的化学成分要求,组织主要为细小的针状马氏体,硬度分布均匀,综合力学性能良好,抗拉强度为651 MPa,伸长率为30%,冲击功为85.18 J。     

孕育剂SiC对Al-Zn-Mg-Cu合金GMAW电弧增材制造构件微观组织及力学性能的影响

Al-Zn-Mg-Cu合金以其高比强度、优良的导热性与耐腐蚀性常用于航空航天、汽车等领域，采用电弧增材制造并探索添加孕育剂的作用对于改善高强铝合金性能、促进其工程应用具有重要意义。本研究采用Al-Zn-Mg-Cu合金焊丝进行GMAW电弧增材制造，通过添加SiC颗粒改善构件微观组织及力学性能，并对比了微米级与纳米级SiC颗粒作用效果。结果表明，常规Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材沉积件微观组织有明显分层现象，随着沉积层数增加，热量累积，晶粒变得粗大且向着柱状晶的形态转化。而SiC的加入抑制了微观组织向柱状晶转变的趋势，使沉积件整体微观组织分布更加均匀，同时晶粒平均尺寸整体由94.57μm可细化至59.3μm,细化程度为37.29%,局部最高可细化44.26%。在力学性能上提高了Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材沉积件的硬度，由HV112提升至HV120,提升程度约7.14%,且硬度波动变化减小。另外，SiC颗粒的添加提高了Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材沉积件的强度与韧性。整体上看，与添加微米级SiC颗粒相比，添加纳米级SiC颗粒Al-Zn-Mg-Cu合金电弧增材制造得到的构件微观组...     

TIG电弧增材熔池行为的数值模拟研究现状

TIG(钨极惰性气体保护焊)电弧增材制造由于其材料利用率高、成形效果好等显著优势,已成为制造业研究的热点。本文从数值模拟的角度,着重总结了TIG增材熔滴过渡、热累积和熔池行为3个方面的重要结果。成形工艺参数决定熔滴过渡形式和频率,而熔滴的过渡形式和过渡频率直接影响沉积层的成形质量;热累积影响着成形件的微观组织和应力,可通过控制层间冷却时间来减少热累积;在进行TIG增材熔池数值模拟时,多选择高斯热源和双椭球热源模型。基于以上对TIG电弧增材制造的分析研究,对TIG电弧增材制造的研究方向进行了展望,主要包括建立熔滴与熔池的物理耦合模型和改进电弧热源模型两方面。     

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。     

电弧增材制造工艺及数值仿真研究进展

对电弧增材制造的工作原理、基本概念及取得的成果与进展进行综述。论述了电弧增材制造的工艺参数对增材件力学性能的影响;总结了电弧增材构件的成形性、微观组织等特点;概述了数值模拟在电弧增材中的应用,以及仿真模型中不同工艺参数对其温度场与应力场的影响规律;对电弧增材制造未来的发展做出总结展望。     

5B06铝合金电弧增材制造工艺参数对成形质量的影响

以5B06变形铝合金为研究对象,重点开展了成形模式、成形电流、成形速度、冷却时间等工艺参数对5B06变形铝合金电弧增材制造成形的影响。结果表明:成形电流、成形速度是多层单道电弧增材制造的重要影响因素。根据多层单道试验效果推荐选用工艺参数为:C+P成形模式,成形电流90~120 A,成形速度6~9 mm/s,每层提升高度1.5 mm,气体保护流量20 L/min。多层单道成形时层间停留可以有效地避免各层之间的热积累效应,适当的层间停留时间可以改善金属表面氧化,避免出现金属流淌,可有效提高成形表面精度。     

Anisotropy in Microstructures and Mechanical Properties of 2Cr13 Alloy Produced byWire Arc Additive ManufacturingEI北大核心CSCD

2Cr13 martensite stainless steel has been widely used for the manufacturing of surgical tools and turbine blades. Contrary to the conventional fabrication technologies, there are several remarkable advantages in the fabrication of 2Cr13 parts by adopting wire arc additive manufacturing (WAAM) technologies, such as excellent metallurgical bonding, high production efficiency, near-net-shape production, and limited environmental contamination. In this work, the effect of interlayer dwelling temperature (110-550 degrees C) on microstructural and mechanical properties has been revealed, providing a new approach for the active control of the performances of 2Cr13 buildups produced by wire-arc additive manufacturing. The part with a dwelling temperature of 550 degrees C was featured by elongated acicular martensite features, with a slightly enhanced fiber-like texture, along with minor fine irregular-reverse austenite structures, dispersed among martensite gaps. This special martensitic distribution was mainly caused by the grain-broken effect under the intensive thermal shock from liquid melting pool. Consequently, the enhanced tensile strength and microhardness were obtained due to grain refinement, although exhibiting an obvious anisotropy in tensile properties. The parts with dwelling temperatures of 110-180 degrees C were characterized by relatively coarsened martensite laths, with a random texture type, within block-shaped ferrite matrix. The average martensite size was gradually refined due to the increased cooling rate by lowering interlayer temperature. The isotropic mechanical properties of all three parts (110-180 degrees C) were similar because of the similar martensite laths.     

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.     

铝合金电弧增材制造成形质量研究

基于机器人电弧填丝增材制造成形技术,进行了铝合金零件的成形表面不平整问题的分析及改善方法的试验探究。分析了CMT焊接技术的增材成形效果,以及应用在不同焊道时对成形质量产生的影响;分别探究了起弧与熄弧参数、层间轨迹方式、层间冷却时间等因素对成形质量的影响及改善方法。增材制造翼肋零件中,层间沉积中采用了焊道表面测量,再进行铣削加工的方式,作为进一步探究提高成形质量的试证。结果表明,加大起弧电流、降低熄弧电流,往复的层间轨迹方式及不同层间的冷却时间等方法可以提高零件的成形质量。     

Microstructure and properties of WC–Co/3Cr13 joints brazed using Ni electroplated interlayer

The brazed joints of WC–Co cemented carbide and 3Cr13 stainless steel using Ni electroplated on Cu–Zn alloy as interlayer were investigated. The shear strength of the WC–Co/interlayer/3Cr13 joints increased firstly and then decreased with the increase of brazing temperature or brazing time. The maximum shear strength value of the brazed joints was 154 MPa at 1100 °C for 10 min. The characterizations of the WC–Co/interlayer/3Cr13 joints were studied by SEM, EDS and XRD. The results showed that the brazed joints fractured in the bulk WC–Co substrates near the interlayer. The added Ni promoted the formation of interdiffusion zone, which possessed positive effects on the bond strength of the WC–Co/interlayer/3Cr13 joints. Austenite solid solution was formed in the WC–Co/interlayer/3Cr13 joint, and the majority of austenite solid solution presented as columnar crystal. The number of austenite crystals on the WC–Co/interlayer interface was tremendously more than that on the interlayer/3Cr13 interface.     

旁路等离子在航天用轴结构增材修复中的应用

以φ1.2 mm直径的H08Mn2Si焊丝为试验材料,采用旁路热丝等离子弧方法进行电弧增材制造工艺试验,对航天用轴结构件进行增材修复,获得了较好的成形效果。研究了层间温度对增材组织性能的影响规律。同时,利用光学显微镜、拉伸试验机和硬度分析仪等对修复接头的微观组织和力学性能进行了研究。结果发现,随着增材过程中层间温度的增大,熔池的冷却时间逐渐缩短,晶粒二次长大越来越明显,晶粒也越来越相对粗大,同时珠光体的含量也随之减小,靠近增材区的组织为细小的珠光体组织,而热影响区的组织明显粗大。另外,增材组织的硬度也随着层间温度的增加而增加。修复后材料的拉伸强度和硬度均高于母材,满足结构件的使用要求。     

具有中间夹层的1.6%C-UHGS/40Cr超塑性焊接接头组织和性能

采用工业纯铁中间层,在非真空、无保护气氛条件下,进行1.6%C-UHCS/40Cr的超塑性焊接试验。试验结果表明,采用工业纯铁中间层能提高1.6%C-UHCS/40Cr超塑性焊接接头界面塑性变形能力,促进扩散,改善接头区组织性能。在预压应力56.6MPa、焊接温度780℃、初始应变速率1.5×10-4/s的条件下,经15 min压接,接头强度可达560 MPa,比不加中间层的超塑性焊接接头强度提高了46%。     

Microstructure and Properties of FeCrB Alloy Coatings Prepared by Wire-Arc Spraying

To improve the heat transfer ability and wear resistance of drying cylinders in paper production machines, a series of Fe_87?x Cr₁₃B _x (x = 1 wt.%, 1.5 wt.%, 2 wt.%, 2.5 wt.%, 3 wt.%, and 4 wt.%) cored wires have been produced and used to prepare coatings by wire-arc spraying, in comparison with conventional X30Cr13 solid wire. All coatings presented dense layered structure with porosity of around 4%. The boron content in the cored wires significantly affected the thermal conductivity of the coating, which is attributed to the combined effects of the crystal structure, grain size, and oxide content of the coating. In the investigated range, the coating with 2 wt.% boron content exhibited the highest thermal conductivity, reaching 8.83 W/m-K, greater than that of X30Cr13 coating (5.45 W/m-K). Furthermore, the microhardness and relative wear resistance of the FeCrB coatings obtained from cored wires with boron addition were greatly increased compared with commercial X30Cr13 coating. Therefore, wire-arc-sprayed FeCrB coating has promise as an effective and economic approach to improve the heat transfer behavior and wear resistance of drying cylinders in the paper industry.     

2Cr13Mn9Ni4不锈钢卡箍腐蚀开裂分析

2Cr13Mn9Ni4不锈钢卡箍在服役条件下大量出现开裂、断裂问题,为飞行安全埋下较大的隐患。对大量卡箍裂纹进行统计分析,发现其断裂位置、形貌有相似性,进行2Cr13Mn9Ni4不锈钢卡箍腐蚀开裂分析,对卡箍的安全应用有重要意义。对故障件外观进行观察,对断口进行宏微观特征观察、能谱分析,对焊缝附近进行金相组织检查、硬度分布测试,在故障件上取样进行晶间腐蚀试验、热模拟试验,最后对卡箍应力进行模拟仿真。结果表明:卡箍残余应力、环境腐蚀、焊接影响的晶间敏化共同作用导致卡箍开裂。     

Al2O3-TiC/1Cr18Ni9Ti扩散焊接头应力分布

用有限元方法计算了Al2O3-TiC／1Cr18Ni9Ti扩散焊接头的应力分布,研究了加热温度、压力和中间层对应力分布的影响。结果表明,残余轴向应力和剪切应力在试样边缘处梯度都较大,靠近中心轴,应力分布比较均匀,最大剪切应力出现在Al2O3-TiC／中间层界面处。在扩散焊冷却过程中,Al2O3-TiC／1Cr18Ni9Ti扩散焊接头最大轴向拉应力先是出现在边缘陶瓷侧,随着温度的降低,逐渐向试样中心靠近,应力值也逐渐增大。加热温度越低,轴向压应力越大。压力越大,最大轴向拉应力越小,压应力越大,但压力对剪切应力的影响较小。使用Ti-Cu-Ti复合中间层比使用Ti中间层可降低最大轴向压府力和最大前切府力。     

Ti(C,N)/40Cr钎焊接头残余应力数值计算

使用有限元法模拟计算了Cu箔、Mo箔对缓解Ti(C,N)/40Cr钎焊接头残余应力的效果.结果表明,无缓冲层直接钎焊,在Ti(C,N)金属陶瓷外侧靠近钎缝的狭小区域内产生较高的拉伸残余应力,其峰值达到268 MPa;使用屈服极限低的Cu箔,接头最大残余拉应力下降到98 MPa,缓解应力效果显著,但最大残余拉应力所处区域与无缓冲层相比没有明显变化;使用线膨胀系数小的Mo箔,应力峰值出现在Mo箔中,同时缓解应力效果不如Cu箔;无论使用Cu箔还是Mo箔,最佳厚度约为0.8 mm左右,大于或小于该厚度值,应力得不到有效释放.