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。     

摆动电弧熔丝增材技术研究现状及应用

传统的电弧熔丝增材技术在大型构件生产中容易形成残余应力影响构件性能,而摆动电弧熔丝增材技术可以有效改善残余应力,因此针对摆动电弧熔丝增材技术,综述了摆动电弧熔丝增材技术残余应力形成机理、消除或控制残余应力的研究和工艺方法;阐述了摆动电弧熔丝增材技术的工艺参数及增材路径对温度场及残余应力的影响,最后简要介绍了摆动电弧熔丝增材技术的应用案例,以期为提高电弧熔丝增材构件力学性能提供引导。     

大型电弧熔丝增材装备研究进展及现状

电弧熔丝增材制造工艺由于其操作流程简便,环境开放,可生产零件范围广等优点引起了世界各国学者的极大兴趣和广泛关注。大型电弧熔丝增材设备作为此工艺实际应用的硬件基础也成为了国内外学者以及企业关注的对象。本文对大型电弧熔丝增材设备进行了简要介绍,回顾了电弧熔丝增材设备的发展历史和介绍了电弧熔丝增材设备的最新研究进展。此外,本文还对大型电弧熔丝增材设备的未来发展方向进行了展望。     

ZL205A电弧熔丝增材制造堆积体的组织与性能

用电弧熔丝增材制造技术(WAAM)进行ZL205A铝合金的堆积实验。通过金相、SEM、EDS及拉伸试验,考察堆积体的微观组织和力学性能等,并与金属型铸造试样进行对比。结果发现,堆积体厚度均匀,表面平整,堆积体中元素B和Cd的烧损率分别达到60%和50%。与金属型铸造铸态试样相比较,WAAM直接堆积态晶粒大小更均匀,晶粒尺寸更小,析出相在晶内和晶界上均匀分布。T6热处理后,θ相完全固溶到Al基体中,在晶界上均匀分布着复熔T相,堆积体T6的力学性能达到抗拉强度500Mpa,屈服强度450Mpa,延伸率10%,均高于金属型铸造试样的水平,且试样在横纵两个方向上力学性能一致。     

铝合金电弧增材制造研究现状

电弧增材制造技术（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）具有沉积速率高,成形速度快以及适合各种成形环境的优点,吸引了越来越多的高校及科研机构投入其中,如何进一步发挥电弧增材制造的优势是当下的研究热点。阐述了铝合金电弧增材过程中热输入、电流方式和外加能场对成形件表面形貌、微观组织以及力学性能的影响。当焊接电流较小或焊接速度较快时,热输入较低,熔融金属冷却速度快,形核率高,成形件为晶粒细小的等轴晶粒,提供给气孔的形成、聚集和长大的时间短,即热输入越低,成形件等轴晶区越宽,晶粒越细小,气孔缺陷越少,成形件机械性能越优异。对比分析了不同电流方式的电弧增材制造成形件性能差异,发现脉冲和变极性电流方式的热输入比无脉冲电流方式低,成形件晶粒更精细、缺陷更少、机械性能更优异;脉冲和变极性电流方式都可以清理成形件表面氧化膜,获得平整的表面。分析了电弧增材制造系统的优化方案,发现施加磁场、激光可以使得电弧更加集中,调控熔池流动,避免熔敷金属铺展不均匀;施加原位轧制、层间锤击以及超声喷丸可使得沉积层发生变形,在晶粒内产生大量位错;利用水箱或者添加保护气喷嘴可以降低电弧增材...     

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。     

多系列铝合金电弧增材制造技术研究进展

电弧增材制造技术适用于铝合金大型复杂构件的一体化成形制造,当前国内外学者已针对不同系列的铝合金进行了大量研究。梳理了近年来铝合金电弧增材制造技术的相关研究,总结了针对Al-Cu、Al-Mg、Al-Si、Al-Cu-Mg、Al-Mg-Si和Al-Zn-Mg-Cu多个系列铝合金的电弧增材研究进展,包括各系列铝合金的组织性能特点、成形效果等方面的研究成果。介绍了铝合金电弧增材制造中常见的组织缺陷,如电弧增材铝合金组织中的孔洞、热裂纹等,以及采用合适的工艺参数和合金设计等解决办法。通过对不同系列铝合金的增材现状和组织缺陷的分析,为铝合金电弧增材制造技术的进一步发展提供了有益的参考。     

铝合金电弧增材制造技术研究进展

增材制造技术是制造业信息化、数字化、智能化的重要组成内容,而电弧增材技术在铝合金成形中具有较好的应用优势。从金属增材制造技术分类、发展历程、标准规范、技术原理等方面,对比分析了不同增材制造技术的优势与局限。特别介绍了以冷金属过渡技术为代表的电弧增材技术,讨论了电弧增材技术的自身优势与局限性,及其应用于铝合金结构件一体化制造的优势。从成形工艺、气孔缺陷、强韧化技术等多方面综述了国内外铝合金电弧增材技术的研究发展,介绍了目前国内外在铝合金电弧增材制造方向的研究工作以及遇到的主要问题,重点分析了铝合金电弧增材制造样品强韧化方法与效果,介绍了国内外的相关优秀案例。最后总结了未来铝合金电弧增材制造技术需要着重解决的问题与方向,包括原材料质量问题、几何精度问题、气孔、热裂纹和残余应力问题、组织和力学性能问题。     

基于BP神经网络的电弧熔丝增材制造数据库系统

通过对电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing, WAAM)单道焊缝试验数据的分类整理,分析用户需求和使用需要,基于python编程语言下的Django框架,采用B/S架构开发了一个电弧熔丝增材制造数据库系统。试验结果表明,该系统采用数据库与算法预测模型结合的方式开发而成,主要设置了用户权限管理、基本打印数据和焊缝形貌预测三大模块,具有存储扩展打印试验数据功能和预测未知工艺参数下焊缝形貌的功能。不同的打印工艺方法引入不同的BP神经网络结构,使用时数据库系统自动读取库内已有的算法模型或根据已有的试验数据训练新的模型,之后录入试验数据会自动对模型重新训练,实现随数据库内试验数据扩展或修正自动适应的参数预测,能够预测未知工艺参数下的焊缝形貌尺寸。最后,基于MIG工艺设计了1组验证试验对数据库的预测功能效果进行检验,熔宽预测误差为1.3%,余高预测误差为1.5%,说明了数据库系统预测功能的可行性。     

基于BP神经网络的电弧熔丝增材制造数据库系统

通过对电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing,WAAM)单道焊缝试验数据的分类整理,分析用户需求和使用需要,基于python编程语言下的Django框架,采用B/S架构开发了一个电弧熔丝增材制造数据库系统。试验结果表明,该系统采用数据库与算法预测模型结合的方式开发而成,主要设置了用户权限管理、基本打印数据和焊缝形貌预测三大模块,具有存储扩展打印试验数据功能和预测未知工艺参数下焊缝形貌的功能。不同的打印工艺方法引入不同的BP神经网络结构,使用时数据库系统自动读取库内已有的算法模型或根据已有的试验数据训练新的模型,之后录入试验数据会自动对模型重新训练,实现随数据库内试验数据扩展或修正自动适应的参数预测,能够预测未知工艺参数下的焊缝形貌尺寸。最后,基于MIG工艺设计了1组验证试验对数据库的预测功能效果进行检验,熔宽预测误差为1.3%,余高预测误差为1.5%,说明了数据库系统预测功能的可行性。创新点： 将传统数据库的数据分类存储功能与预测算法相结合,充分发挥了已有试验数据的价值,并且集成了不同试验材料、焊接工艺方法等数据构建算法模型,实现了多种试验条件、焊接工艺方法下的焊接工艺参数预测功能。     

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120～160A、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...     

电弧熔丝增材制造钛/铝复合材料的组织与性能

通过基于冷金属转移的电弧熔丝增材制造技术制备了铝/钛复合材料. 观察到钛/铝结合界面存在元素扩散,形成一定厚度的中间反应层,表明界面结合良好. 同时,通过硬度测试得到界面附近的硬度介于钛侧与铝侧之间,这主要是由于元素扩散导致界面附近生成了硬脆金属间化合物. 考虑到不同的复合比会导致不同力学性能,通过拉伸试验,研究了复合比对带缺口的钛/铝复合材料拉伸力学性能的影响规律. 结果表明,在持续拉伸载荷作用下,钛/铝复合材料的两组成层之间相互影响. 随着复合比的增加,抗拉强度和屈服强度增加,断后伸长率由于受钛铝之间冶金反应的影响较大,当钛/铝试样具有较低复合比时,其断后伸长率甚至小于单一沉积铝,随后才随着复合比的增加而增大. 另外,运用ABAQUS补充了多组复合比下钛/铝复合材料的拉伸过程,得到了复合比与屈服强度和抗拉强度的关系式.     

铝合金CMT电弧增材制造残余应力分析

文中基于热弹塑性力学理论,建立铝合金冷金属过渡(CMT)电弧增材制造筒状形件残余应力三维有限元分析模型。通过Ansys有限元软件对铝合金形件残余应力进行模拟计算,研究其分布特征,并将残余应力的计算结果与试验结果相对比,验证模型准确性。研究结果表明,铝合金CMT电弧增材制造筒状形件整体径向和轴向残余应力较小;而环向残余应力集中在形件下部区域,表现为拉应力,应力峰值约为300 MPa;随着高度的增加,环向拉应力减小为压应力,峰值约为-104 MPa; Von-Mises等效残余应力在形件厚度方向上分布均匀;在高度方向上呈先增大后减小特性;形件底部区域应力较大,峰值约为276 MPa,与材料屈服强度相近。     

双丝电弧增材制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金工艺与组织性能

为改善Al-Zn-Mg-Cu铝合金电弧增材过程中出现的工艺和缺陷问题,利用双丝电弧增材技术,制备了Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金. 根据电弧增材过程中的工艺以及成形情况,对该工艺中的送丝位置,送丝速度以及变极性频率等工艺参数进行分析. 通过工艺试验得到气孔含量较少和成型情况较好的参数并进行双丝电弧增材制造. 分析了不同扫描速度下的制备的Al-Mg-Zn-Cu-Sc合金组织以及力学性能,对微观组织和试样失效区域进行观察,确认了断裂类型和组织特点. 最终得到双丝电弧增材技术制备Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的工艺区间,明确了沉积态Al-Mg-Zn-Cu-Sc铝合金的基本组织特点.     

金属材料电弧熔丝增材制造研究现状与质量改进方法（英文）

电弧熔丝增材制造(WAAM)是一种增材制造技术,近年来在工业上有很大的发展潜力。总结目前WAAM的研究现状和面临的挑战,并提出质量改进的方法。综述WAAM在表面质量、成形精度、显微组织、力学性能、残余应力和变形、孔隙及其他缺陷等方面的研究现状。从前处理、在线处理和后处理3个方面总结消除缺陷、改善显微组织和提高力学性能的方法。WAAM的广泛应用仍然存在许多挑战,可能需要从多个角度出发来实现WAAM的工业化应用。路径规划和切片算法的开发、在线监测系统与现有WAAM设备的结合、后处理技术的复合等将是未来的重点研究方向。     

ER535铝合金双脉冲电弧增材制造成型工艺及组织研究

采用双脉冲MIG电弧增材制造工艺制备了ER5356铝合金直壁和斜壁试件.通过多组单道单层试验,探索了双脉冲铝合金电弧增材的最佳工艺.结果 表明,采用130A电流,20V电弧电压,7mm/s焊接速度,4Hz低频频率进行ER5356铝合金直壁件增材制造,成型质量良好,其晶粒在高度方向呈现等轴晶与柱状晶交替分布,硬度也呈周期...     

超声冲击对电弧熔丝增材制造低碳钢组织的影响

电弧熔丝增材制造低碳高强钢过程中产生的组织粗大和各向异性等问题一定程度上限制了该技术的应用和发展。在电弧熔丝增材制造过程中引入层间超声冲击处理,以改善制件的组织状态和各向异性,采用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段对超声冲击前、后的组织状态进行了对比。结果表明,经过超声冲击处理后,具有明显方向性的典型柱状晶组织转变为均匀、细小的等轴晶组织;电子背散射衍射结果表明,超声冲击强化可改善组织的方向性并大幅细化晶粒。这是因为超声可以打破组织内部对位错运动的限制,促进位错合并和湮灭,进而形成大量亚结构,并在后续沉积层的热效应作用下发生部分再结晶。这种转变会阻碍柱状组织的生长,并将柱状组织分成具有小纵横比的胞状或等轴状组织。     

电弧增材制造(WAAM)ZL114A铝合金组织与性能的研究

采用金相显微镜、扫描电镜、电子万能试验机等分析测试手段,研究了电弧增材制造工艺方法对ZL114A铝合金组织与性能的影响。与传统铸造成形方法相比,铸态组织具有更小的枝晶间距、Si相细小分布均匀;化学成分可有效控制;T6热处理后,Si相球化充分,第二相弥散分布在α-Al基体上,力学性能显著提升,抗拉强度、屈服强度及延伸率分为360MPa、315MPa、7.5%,延伸率是砂型铸造试样的2.1倍,拉伸断口呈现韧性断裂特征。WAAM成形试样缺陷主要为小于30μm的气孔,经过热处理后气孔数量减少,尺寸有变大趋势。     

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。     

铝合金点阵结构电弧增材制造技术及应用

电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法,制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al2O3相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系,制备出直径1.2 mm的药芯丝材,堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离,使电弧中的带电粒子大幅度增加,对电弧存在约束和稳定作用,提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数,可制备直径为2.5～7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量,可制备角度为15°～90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形,点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa,具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源,热源温度为500℃,时间600 s,测试件下表面温度约93℃,具有较高的隔热性能。