应力迭代法重构电弧增材AA7075铝合金薄壁件残余应力场研究

残余应力是影响电弧增材制造构件疲劳寿命的关键因素,传统的测量与仿真难以完整高效地分析增材构件的残余应力分布。为此基于本征应变相容原理,提出一种通过应力迭代重构电弧增材AA7075铝合金薄壁件残余应力场的新方法。该方法使用有限的残余应力实测数据与基函数构造应力分量,并使用APDL语言对ANSYS进行二次开发,将应力分量映射至有限元模型迭代重构残余应力场。结果表明,重构的残余应力场与X射线衍射法实测值、热弹塑性模型仿真值误差较小,证明了该方法用于电弧增材薄壁件的全局残余应力场重构的有效性。     

GH4099高温合金电弧增材制造工艺研究

研究了GH4099高温合金电弧增材制造材料的显微组织及力学性能,结果表明:GH4099高温合金电弧增材制造过程中材料流动性较差,需采用He气进行保护才能满足成形需求;电弧增材制造组织呈现出较为明显的各向异性,其中垂直于增材方向呈现出连续的列状枝晶,而平行于增材方向则呈现出等轴晶组织,在等轴晶内部存在着树枝晶亚结构,大量γ′强化相及MC碳化物弥散分布在等轴晶晶界和晶粒内部;经常温与900℃高温力学测试,GH4099高温合金电弧增材制造材料抗拉强度和常温断后延伸率均满足GB/T 14996—2010《高温合金冷轧板》标准要求,但900℃高温断后延伸率低于标准要求。     

一种电弧增材制造系统及沉积层性能研究

为了跟上国内外电弧增材制造技术迅猛发展势头,采用从设备研制到实验验证的方法路线,介绍了一种基于机器人的增材制造系统的硬件选择及软件设计,并利用该增材制造系统增材制造出耐磨钢直臂件,对增材件性能进行测试。结果表明,该制造系统具有修改增材制造工艺参数方便、成形效果良好、成型精度较高等优点。项目开展的基础性研究对于金属丝材电弧直接制造系统的开发和技术的推广及应用具有重要的理论参考和实际指导意义。     

电弧增材制造中铝合金的应力与变形的模拟

铝合金在航天工业中有着重要地位,其强度适中,塑性好,密度低,具有较强的抗腐蚀性,且抗裂纹能力好。但在焊接过程中产生的残余应力和由其引起的焊接变形对材料的成形质量有很大的影响,为了克服这一问题,本文通过有限元模拟的方式不同工艺参数的电弧增材制造过程进行了计算并绘制成曲线图进行分析讨论。研究了焊接残余应力及焊后变形受工艺参数影响的规律,认为通过调整焊接热输入可以在一定程度上实现对残余应力及变形的控制。     

热丝辅助电弧增材Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金组织与性能研究

电弧增材制造技术可以缩短生产周期,降低成本,实现铝合金的快速成形,但存在结构内部含有较多气孔及晶粒粗大的问题。热丝辅助电弧增材制造(HWAAM)可以有效降低气孔率和细化晶粒,进一步提高电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金的性能。采用热丝电弧增材制造技术制备了Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金,利用拉伸试验、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等实验方法,研究了电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag铝合金的气孔缺陷、显微组织和力学性能。结果表明,与冷丝成形合金相比,热丝辅助电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金气孔率降低25%,气孔球形度增加,空间分布较为均匀;同时晶粒尺寸降低30%,晶粒形貌趋于等轴晶化。冷丝结构件抗拉强度为218 MPa,屈服强度为134 MPa,延伸率为3.2%,使用热丝电弧增材制造后,力学性能提高,其抗拉强度提升至242 MPa,屈服强度提高至148 MPa,延伸率4.2%。最后,分别采用固溶+时效和人工时效热处理工艺,进一步改善了热丝辅助成形Al-Cu-Mg-Ag合金的力学性能。固溶与时效热处理后抗拉强度达到368 MPa,延伸率下降至0.5%,时效热...     

ER120S-G高强钢电弧增材制造的工艺优化

针对ER120S-G高强钢电弧增材制造搭接间距的工艺优化问题,采用脉冲熔化极气体保护焊(GMAW-P)工艺,对5组单层焊道进行Canny边缘提取和高斯平滑滤波,并选用不同函数对单道形貌进行拟合。比较了常规搭接模型和优化的斜顶搭接模型,并计算出它们的最优搭接间距。研究结果表明,对于高强钢GMAW-P工艺,采用正弦函数拟合焊道边缘的效果最佳,并且采用优化的斜顶搭接模型得到的最优搭接间距为0.66倍的单道宽度。基于上述优化结果试验成形了多层多道块体样件,成形表面质量良好无缺陷,块体组织主要为针状铁素体、粒状贝氏体以及M-A组元等,抗拉强度呈现一定的各向异性。     

电弧增材制造NiTi形状记忆合金成形与性能

基于电弧增材制造(Wire arc additive manufacturing, WAAM)技术,以NiTi丝(Ni 50.50 at.%)为堆积材料制造形状记忆合金薄壁构件,研究其组织成分、相变特征和力学性能。结果表明,由于不同的热循环条件,沿试样高度方向上每道沉积层微观结构不同,第一沉积层为较大的等轴晶,随着热量累积,晶粒生长趋向为更细小的等轴形态,层间为柱状晶。室温下,试样是奥氏体相(Ni51.10at.%),与丝材相比,电弧增材制造的构件硬度较高且具有更宽的温度变化范围和相变滞后现象。试样拉伸强度约为611.30MPa,延伸率约为19.50%,具有较好的断裂韧性。试样在第一次加载-卸载循环时塑性应变仅为1.01%,8个循环后塑性应变趋于稳定,约为2.68%。     

不同沉积路径冷金属过渡电弧增材制造H13钢成形件的显微组织和硬度

在不同沉积路径下采用冷金属过渡电弧增材制造技术制备了H13钢成形件,基于热-弹塑性有限元法对成形件的热历程进行了分析,并通过试验研究了成形件的显微组织和硬度。结果表明：同向和双向路径沉积得到5层单道和单层5道成形件的热历程基本一致,双向沉积5层单道成形件第3层中间点的峰值温度远高于双向沉积单层5道成形件第3道中间点,5层单道成形件的热累积效应更明显;5层单道成形件的板条状马氏体组织比单层5道成形件的粗大;同向沉积5层单道成形件在同一高度上的硬度略高于双向沉积成形件,同向沉积和双向沉积单层5道成形件在水平方向的硬度分布基本相同,5层单道成形件的平均硬度略低于单层5道成形件。     

电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔的研究现状

电弧熔丝增材制造铝合金中的气孔会产生应力集中,导致初始裂纹萌生和扩展,造成力学性能变差.介绍了电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔缺陷形成的原因,阐述了保护气体、焊接速度、送丝速度、金属丝材、热输入、轧制和热处理等工艺条件对气孔率的影响,并对降低电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔率的今后研究方向进行了展望.     

GH4169高温合金电弧增材制造焊道成形尺寸预测

采用GH4169高温合金焊丝进行钨极惰性气体保护焊电弧增材制造,采用二次回归通用旋转组合方案建立了焊接电流、焊接速度、送丝速度与单道多层焊道层宽、层高尺寸关系的预测模型,并对计算结果进行了试验验证。结果表明：单道多层焊道层宽和层高预测模型的最大相对误差分别为5.22%,5.82%,表明所建立的预测模型具有较高的可靠性;焊接速度、焊接电流和送丝速度对单道多层焊道成形尺寸的影响是相互耦合的,对单道多层焊道层宽影响最大的因素为焊接电流,对层高影响最大的因素为送丝速度。     

多向钢节点电弧增材制造药芯丝材开发及应用

开发了一种用于多向钢节点电弧增材制造的金属粉芯型药芯丝材,研究了其在不同工艺规范与摆动条件下的工艺性能、显微组织与力学性能。结果表明:开发的药芯丝材在不同工艺规范与摆动条件下堆积金属两侧平直,表面平整,未出现裂纹、气孔等缺陷,具有良好的成型性;堆积过程中电流波动幅度不超过±3.5%(±7.5 A),电压波动幅度不超过±4.0%(±0.9 V),波动较小,电弧稳定,飞溅率低于2.5%;堆积金属的显微组织为铁素体和珠光体,其拉伸强度、延伸率和20℃冲击功,沿堆积方向分别为512 MPa、25%和127 J,沿垂直于堆积方向分别为519 MPa、24%和134 J。利用开发的药芯丝材电弧增材制造六向钢节点,制造的构件尺寸偏差在±1.3 mm以内,成型精度较高;其显微组织也为铁素体和珠光体,力学性能满足使用要求,开发的药芯丝材可用于多向钢节点电弧增材制造。     

不同工艺下GH4169镍基高温合金电弧增材制造热力场数值模拟

采用Simufact Welding软件建立电弧增材制造GH4169镍基高温合金的有限元模型,对该模型进行了试验验证,模拟分析了不同沉积路径(单向沉积、往复沉积)和不同层间冷却时间(0,60,120 s)下多层单道成形过程中的热力场及变形量。结果表明:模拟得到电弧增材制造过程中的热循环曲线和残余应力与试验结果相吻合,相对误差分别小于9%和3%,验证了该模型的准确性;与单向沉积路径相比,往复沉积路径可以改善成形件热分布和应力场分布的均匀性,应力场和热积累的影响范围较小,温度和残余应力较低,变形对称性较好;随着层间冷却时间的延长,热积累、残余应力和变形量均降低,但降低幅度逐渐减小。采用往复沉积路径且层间冷却60 s时,电弧增材制造GH4169镍基高温合金的成形质量较好。     

热输入对高强钢GMAW增材组织及力学性能影响

在不同热输入(10.66 k J/cm、13.34 k J/cm、15.70 k J/cm)下对ER130S-G低合金高强钢进行GMAW增材试验,研究热输入对增材结构显微组织、室温拉伸性能的影响。结果表明:增材结构组织可分为受热区和未受热区,受热区组织主要由针状铁素体和粒状贝氏体组成,未受热区主要为粗大的柱状晶。随着热输入的增加,粒状贝氏体含量减少,针状铁素体增加,同时出现部分板条马氏体。室温下抗拉强度和断后伸长率均呈先增大后减小的趋势,在热输入为13.34 k J/cm时,力学性能最佳,拉伸断口均为韧性断口。     

激光约束电弧熔丝增材制造构件表面粗糙度研究

通过研究不同工艺参数下激光调控电弧的行为,发现激光可以压缩电弧,使得电弧稳定,激光对电弧有调控作用;进而分析不同工艺参数下激光对堆积层稳定性的影响以及激光约束电弧熔丝增材制造构件的表面粗糙度。研究发现相较于熔化极活性气体保护电弧焊(Metal Active Gas Arc Welding,MAG)作用而言,激光作用后,堆积层稳定性得到提高,并且小规范参数下,构件表面粗糙度Ra值由150.178μm降低到53.521μm;中等规范参数下,构件表面粗糙度Ra值由71.328μm降低到41.498μm;大规范参数下,构件表面粗糙度Ra值由110.163μm降低到82.352μm。     

冷金属过渡电弧增材制造H13钢块体的显微组织与力学性能

采用机器人辅助冷金属过渡电弧增材制造技术制备五层十五道结构的H13钢块体,研究了沉积块体的表面质量、显微组织和力学性能。结果表明:H13钢块体表面无宏观裂纹;块体主体区组织为晶粒取向均匀的针状马氏体,搭接区组织由晶粒取向杂乱的针状马氏体和不规则铁素体组成;块体主体区的平均显微硬度为479HV,远高于退火态H13钢的(254HV),而搭接区因存在铁素体,其硬度明显降低,平均值仅为381HV;冷金属过渡电弧增材制造H13钢块体的整体拉伸性能优于退火态H13钢的。     

5356铝合金过渡端框电弧增材制造及组织与性能

研究电弧熔丝增材制造5356铝合金运载火箭过渡端框工艺,探讨不同热输入与热处理温度对堆积金属组织与性能的影响,增材制造了过渡端框模拟件。结果表明,5356铝合金的显微组织主要为α(Al)相基体与β(Al8Mg5)增强相。增材制造过程中的热输入从113.4 J/mm增加至356.4 J/mm时,5356铝合金中α(Al)相晶界处的粗大β(Al8Mg5)相增多,导致金属抗拉强度、延伸率均显著降低。固溶处理有利于提高5356铝合金的力学性能。固溶处理温度由350℃提高至450℃时,5356铝合金中的α(Al)相晶粒细化,其晶内的细粒状β(Al8Mg5)相增多并呈弥散分布,且α(Al)相晶界处的β(Al8Mg5)相减少,使得细晶强化与沉淀强化效果逐渐显著,5356铝合金强度及韧性提高。根据5356铝合金过渡端框的结构特点,将其划分为底部支撑圆环、环-扇形组、环-加强筋组3个区域依次增材制造。为了减少成形件的变形,改变底部支撑圆环增材制造的起弧位置,环-扇形组采用对称分块成形。对成形的5356铝合金过渡端框模拟件进行三维尺寸测量,结构误差在3.58 mm之内,具有较高的成形精度。