环形束斑冷阴极电子枪的研制及其束流品质优化

电子束熔丝增材制造技术适用于大中型金属构件的高效整体化成形,针对目前用于熔丝增材制造的电子枪存在的诸多缺点,设计了一种环形束斑冷阴极电子枪,建立了三维模型,对束源关键部件结构尺寸进行模拟仿真,当阴极弧面半径100?mm,阳极倾角40°时束流品质最优;根据模拟仿真结果加工制造了电子枪,经测试,其耐压可达-22 kV,最大束流可达1250?mA;选用直径2?mm的TC4焊丝在加速电压-20 kV、束流210?mA、工作台移动速度310?mm/s、送丝速度30?mm/s下进行熔丝实验,获得了良好的表面成形质量.     

熔积电流对镁合金CMT熔丝增材成形特征的影响

针对AZ80镁合金CMT熔丝增材制造工艺,开展不同熔积电流对镁合金直壁试样成形特性的影响规律研究.结果表明,CMT熔丝增材熔积速度为10?mm/s时,熔积电流在85～125 A范围内可获得成形良好的单道镁合金直壁试样,稳定成形直壁高度比起弧、熄弧位置略高,高度偏差控制在2.6?mm以内;随着熔积电流从85 A增至125 A,熔积层层间层高从2.39?mm减小到2.16?mm,而熔积层层宽则从8.61?mm增至14.23?mm;熔积电流过大或过小均会影响直壁试样的表面粗糙度,熔积电流为105 A时表面粗糙度最小,粗糙度为0.16?mm.     

扫描电子显微镜在铝工业中的应用

一、仪器的基本结构与性能 TSM—35C扫描电子显微镜结构示意图如图1。灯丝电流加热电子枪的灯丝,产生热电子发射。热电子受阳极高压作用形成高速束流,经会聚镜和物透镜聚焦,再经扫描线圈、消象散器和动态聚焦线圈的调制,以一定的能量、强度、斑点直径和方向轰击试样某预定位置。     

基于大角度偏转的增材制造设备性能的研究

通过研究电子束束斑在大角度偏转下的变化规律,进行了大角度偏转下增材制造设备性能的研究。实验结果表明,由于电子枪固有的聚焦和偏转工作方式的原因,电子束在大角度偏转下必然会出现严重的散焦现象,从而影响零件成型精度。通过修正设备的聚焦电流可以减小这种散焦的程度,提高电子束大角度偏转下的零件成型精度。利用本文提出的修正策略,在原精度要求不变的情况下,改进的增材制造设备可以快速成型尺寸更大的零件。     

激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高度、熔池状态;常见的控制系统为以闭环控制策略为主的在线反馈送丝速率控制系统、在线反馈激光功率控制系统等,在线监测系统与控制系统协同作用,能够显著优化增材制造工艺、提高成形质量。介绍了包括三维超声波扫描技术、电磁振动监测技术在内的新兴激光熔丝增材制造监测技术。结合激光熔丝增材制造技术的工艺难题对下一代监测与控制系统进行展望。国内外对沉积层高度和宽度、熔池尺寸和温度等监测对象已有较为充分的研究和试验验证,但在沉积过程中,由于激光的高能量密度会造成高温度梯度,因此对沉积过程在线高精度、高质量监测与控制技术的研究变得至关重要。 创新点： 激光熔丝增材制造成形精度要求高,同时国内外对该技术的相关工艺、成形原位控制的研究处于起步阶段,对沉积层、熔池偏差的实时监测与控制进行深入研究具有重要意义。     

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。     

激光熔丝增材制造监测与控制系统研究现状

激光熔丝增材制造作为一种定向能量沉积技术,具有很好的发展前景。文中对国内外激光熔丝增材制造监测与控制系统进行归纳概述。现阶段,国内外激光熔丝增材制造常见的监测系统包括结构光扫描系统、红外测温成像系统等,实时监测沉积层高度、熔池状态;常见的控制系统为以闭环控制策略为主的在线反馈送丝速率控制系统、在线反馈激光功率控制系统等,在线监测系统与控制系统协同作用,能够显著优化增材制造工艺、提高成形质量。介绍了包括三维超声波扫描技术、电磁振动监测技术在内的新兴激光熔丝增材制造监测技术。结合激光熔丝增材制造技术的工艺难题对下一代监测与控制系统进行展望。国内外对沉积层高度和宽度、熔池尺寸和温度等监测对象已有较为充分的研究和试验验证,但在沉积过程中,由于激光的高能量密度会造成高温度梯度,因此对沉积过程在线高精度、高质量监测与控制技术的研究变得至关重要。     

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。     

刮板输送机中部槽的等离子弧增材修复工艺

采用正交试验方法,使用等离子弧增材修复技术在K360钢表面制备了不同参数下的铁基合金耐磨层,观察了耐磨层的表面成形和横截面形貌,分析了工艺参数对耐磨层边缘平直度、熔深、熔宽、余高和稀释率的影响,以耐磨层表面边缘平直度和稀释率为评价指标优化了工艺参数,并对优化后工艺参数下的耐磨层进行了显微硬度测试和微观组织观察。结果表明,当熔覆电流为190 A,送粉速度为46 g/min,扫描速度为30～35 cm/min时,耐磨层表面成形较好、稀释率较低,为优化的工艺参数。选择熔覆电流为190 A,送粉速度为46 g/min,扫描速度为30 cm/min进行增材修复试验,该参数下的耐磨层硬度值较高,平均硬度为HV_(0.3)587.5,耐磨层的显微组织主要由马氏体和碳化物组成。     

大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术研究进展

大型金属零件广泛应用于航空航天、能源、国防等领域中的关键承力结构,多采用铸造或者锻造工艺成形制造。电弧熔丝增材及其复合制造技术是近二十年来迅速发展起来的一种快速近净成形制造技术,具有高效低成本的显著优势,是大型金属零件成形制造中热点研究方向。本文总结概述了近年来大型金属零件电弧熔丝增材制造工艺的应用与研究,指出了金属材料电弧熔丝增材制造中广泛存在的控形控性难题,介绍了多种结合传统塑性成形工艺的电弧熔丝增材复合制造技术及其控形控性方法,最后对大型金属零件电弧熔丝增材及其复合制造技术的发展进行了总结与展望。     

电弧增材制造轨迹及工艺规划研究进展

电弧熔丝增材制造是一种高效快速近净成形制造技术，凭借其低成本、高柔性的显著优势成为中/大型金属零件制造的热点研究方向及首选方案。概述了近年来电弧熔丝增材制造技术在成形轨迹及工艺规划方面的研究进展，总结了三维模型切片方法、具有不同几何特征的二轮轮廓路径规划方法、典型结构的特殊路径规划策略及成形工艺参数优化与控制策略，介绍了多方面提高表面质量与成形精度的工艺方法及悬垂结构、倾斜结构的无支撑打印策略，最后总结了电弧熔丝增材制造技术当前研究进展，指出了未来提升电弧增材制造装备及工艺控制的智能化水平的研究方向。     

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。     

大倾角环形结构电弧熔丝增材工艺研究

整体式闭式叶轮因其性能优越、稳定高效、寿命长等优势在工业上应用越来越广泛。大倾角环形结构是整体式闭式叶轮的关键组成,其倾角变化大,不同倾角条件下,增材过程中熔滴过渡形式不同,造成逐层增材时层高层宽各异,层间焊道搭接亦不同,为电弧熔丝增材高质量近净成形带来了极大挑战。鉴于此,文中进行了大倾角环形结构电弧熔丝增材工艺研究,分析了其结构特征并形成了增材路径策略,即每层由2条环形轨迹搭接而成,同时轨迹法向与倾角相适应,还进行了进给速度、搭接率等工艺参数对成形质量影响的研究,在此基础上确定了合理的增材工艺参数,即送丝速度7 m/min,进给速度500 mm/min,搭接率50%。最终实现了大倾角环形结构毛坯的高质量近净成形。     

基于Helmholtz线圈的电子束高速扫描系统设计

针对国内电子束偏转扫描线圈的磁感应强度较低、均匀性较差,扫描速度较慢等不足,基于Helmholtz线圈的工作原理,采用空心结构设计了电子束偏转扫描线圈;提出一种双逆推主电路拓扑结构,使扫描线圈的驱动电压增加一倍,从而提高了扫描线圈驱动电流的变化速度;采用电流霍尔传感器和PID调节电路设计了驱动电流闭环控制电路,并利用Labview软件开发了电子束高速扫描控制程序.结果表明:该电子束高速扫描系统扫描线圈的磁感应强度和均匀性能够满足大角度电子束偏转扫描要求,并有效提高驱动电流的变化速率,可以实现电子束高速扫描.     

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。     

电子束扫描线圈高速驱动器研制

针对电子束高速偏转扫描的需要，研制了一种用于驱动电子束扫描线圈的高速驱动器。具体为通过降压、补偿、差分输入的方式设计驱动器输入级电路，提高电路对高速信号的响应及处理速度；通过射极跟随方式设计电流闭环调节电路，提高电路的闭环调节速度及稳定性；通过Cadence仿真软件对主回路结构仿真设计及参数优化。根据上述结果，研制出了电子束扫描线圈高速驱动器，并对其进行测试。结果表明，其驱动感性负载时，输出电流可高速闭环响应任意输入信号，工作频率达100 kHz，最大驱动电流±2 A。     

激光熔丝增材制造过程的温度与组织演变研究

激光熔丝增材制造工艺参数对凝固组织特别是晶粒尺寸有重要影响,从而影响成形件的性能.基于有限元方法对激光熔丝增材316L不锈钢过程的热历史进行了仿真,研究了不同增材工艺对晶粒尺寸的影响.结果表明,模拟得到的熔池尺寸于与实际相吻合,在垂直于扫描方向和厚度方向均有能量传递.随着扫描速度的增加,成形过程的最高温度减小.单层组织的底部区域为胞状晶、中部区域为粗大的柱状树枝晶、顶部区域为细小的等轴晶,柱状树枝晶的一次枝晶间距随扫描速度的增加而减小.     

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.     

航空航天用电弧熔丝增材制造研究综述

电弧增材制造因其成形效率高、适用材料范围大、设备简单、工件尺寸不受限制等特点,在航空航天领域大型金属构件制备方面具有独特优势。对航空航天领域涉及的电弧熔丝增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)典型材料的微观组织及力学性能进行了总结分析,从增材过程工艺控制、增材后热处理以及复合增材技术三个方面综述了电弧熔丝增材工艺质量控制的方法,并概述了近年来大型金属构件电弧熔丝增材制造的应用情况,最后对大型金属零件电弧熔丝增材制造技术的发展方向进行了展望。