碳钢双丝与单丝等离子弧增材制造成形及组织特征分析

针对传统丝材等离子弧增材制造碳钢效率低、质量高的特点,提出了一种"双填丝+压缩等离子弧"增材制造工艺,并采用该工艺增材制造了试样,对比分析了双填丝与单填丝增材制造试样的成形尺寸、显微组织特征和力学性能.结果表明,相对于单填丝等离子弧增材制造工艺,采用新型双填丝等离子弧增材制造工艺,在相同的工艺条件下,熔敷效率提高了0.97倍;平均晶粒尺寸由18.75 μm细化到13.47 μm;试样纵向拉伸抗拉强度提高了62.64 MPa,横向拉伸抗拉强度提高了67.52 MPa;试样有效层的平均显微维氏硬度由158.95 HV0.5增加到175.34 HV0.5.     

不锈钢旁路热丝等离子弧增材制造接头特性分析

以旁路热丝等离子弧增材方法为技术手段,开展304不锈钢电弧增材制造工艺试验,分析了工艺参数对增材成形的影响,并对沉积层的组织特征与力学性能进行了研究.结果表明,随着热丝电流的增加,流经工件的电流随之降低,电弧增材的沉积效率大幅提高,材料在反复快速加热后,得到充分的淬水和回火,沉积层内部存在大量奥氏体组织,接头硬度有所提高.拉伸试验结果表明,沉积态材料的平均抗拉强度为537.2 MPa,断面收缩率为59.4%,断后伸长率为33.8%,断裂形式为韧性断裂,可满足不锈钢增材制造的质量要求.     

等离子弧增材制造设备与其工艺研究

电弧增材制造克服了以激光、电子束做热源的增材制造设备造价和运行成本高的问题,成为金属增材制造技术的研究热点和重要发展方向。根据等离子弧的特点,设计了以等离子弧为热源的增材制造设备,并利用其研究了等离子弧增材制造工艺,包括送丝角度、成型速度、焊接电流等对零件成型的影响。     

反极性弱等离子弧丝材熔积增材制造现状与展望

反极性弱等离子弧增材制造具有制造周期短、制造成本低、工件可靠性强等特点,具有广阔的应用前景。介绍了3种反极性等离子弧丝材熔积增材制造方法的基本原理和应用现状,并分别从控制系统、焊接设备、焊接材料等3大方面综合论述了等离子弧增材制造的发展现状和存在的问题,分析了反极性等离子弧增材制造的发展方向。     

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...     

WPAAM弧长智能预测与过程监控系统设计

在丝材等离子弧连续增材制造过程中,由于电弧加热过程中热积累导致实际堆敷层高度与设计堆敷层高度出现差异,造成弧长长度难以恒定;同时工艺参数的变化也会影响增材制造过程的稳定性。因此针对丝材等离子弧增材制造,设计了基于LabVIEW的等离子电弧弧长智能预测及过程监控系统。系统以USB4711A采集卡为核心,采用传感器实时采集增材过程中的堆敷电流和电弧电压等信息,实时显示工艺参数动态信息并分析数据,同时建立了基于BP神经网络的弧长智能预测模型,以实时监测增材制造过程中弧长的变化。试验表明,该过程监测系统能够实时监测堆敷过程,通过实时调用3-7-1结构的BP神经网络,能够实时预测电弧弧长变化,预测的误差范围为-1.6~1.4 mm,达到预期要求。     

电弧热丝变极性等离子弧增材制造成型尺寸预测

电弧热丝变极性等离子弧(arcing-VPPA)对传热与传质的可靠控制使其在电弧增材制造方面拥有独特的优点。针对单道多层铝合金堆砌试样,利用二次通用旋转组合方法针对性地设计了单壁墙试验样本,通过多次回归方程建立了单壁墙成型尺寸与工艺参数之间关系的数学模型。结果表明,模型能够较好地预测单壁墙的熔敷尺寸,真实值与拟合值基本一致。同时发现,等离子电流、行走速度、送丝速度对层高的影响较为明显,且等离子电流与焊接速度对层高的影响存在交互作用;而对熔宽影响较明显的是等离子电流、变极性脉冲MIG电流以及焊接速度。同时分析了增材成型熔宽尺寸稳定性控制策略,发现等离子电流以等差数列排序的控制方案在增材宽度的稳定性控制上具有明显优势。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

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。     

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。     

Development of micro-plasma transferred arc (μ-PTA) wire deposition process for additive layer manufacturing applications

Micro-plasma transferred arc (μ-PTA) deposition process has potential to meet requirements of the meso-sized fabrication and repair of the high value components. This paper reports on the development of μ-PTA as cost effective and energy efficient alternative process for small sized deposition with an overall objective to repair and/or remanufacture the defective dies and molds. An experimental setup was developed to deposit 300 μm diameter wire of AISI P20 tool steel on the substrate of the same material which is one of the most commonly used materials for making the dies and molds used for various applications. Two stage experiments were conducted to indentify the important process parameters generating regular and smooth single bead geometry. The process was further explored for highest possible deposition rate for fabrication of straight walls through multi-layer deposition. The μ-PTA deposition process was found to be capable of fabricating straight walls having total wall width of 2.45 mm and effective wall width of 2.11 mm. The deposition efficiency was found to be 87% for the maximum deposition rate of 42 g/h. The microscopic examination and micro-hardness measurements revealed that the deposited wall is free from cracks, porosity, and inclusions. This study confirms the capability of μ-PTA for ALM in comparison to the existing high energy deposition processes used for meso-scale fabrication and repair applications of the dies and molds. This work confirms that μ-PTA wire deposition process offers the advantages of the laser based processes at much lower cost and more energy efficiency thus making it potential alternative process for repair and remanufacturing of the defective dies and molds. Use of finer wire can further reduce the deposition size enabling μ-PTA wire deposition process to fabricate the miniaturized parts.     

MIG电弧增材制造6061铝合金的组织和性能

探索MIG电弧增材制造6061铝合金构件的工艺成形性,并对成形件不同区域的微观组织及力学性能开展研究.结果表明,当送丝速度/焊接速度的比值P在0.5 ~ 1之间,且送丝速度在5 ~ 7 m/min之间时,可获得良好焊道形貌;堆积焊道层与层之间交界处为结合层,其余区域为沉积层,结合层和沉积层呈现出沿堆积高度方向灰白色带依次交替的形貌,并都呈现出各种尺寸大小的气孔多发的状态;显微硬度和拉伸测试发现:沿着堆积方向硬度变化不大,结合层硬度低于沉积层,且硬度波动性更大;不同区域水平方向强度差异不大,堆积方向强度比水平方向略低,平均断后伸长率分别为18%和22.6%,两个方向拉伸断口皆以韧窝为主,属于韧性断裂.     

复杂结构与高性能材料增材制造技术进展

采用电流恒定的快速电弧模式对316L不锈钢进行电弧增材制造.探索了构件的工艺成形性,并采用金相显微镜与场发射扫描电子显微镜对比研究了成形件不同区域微观组织与力学性能.结果表明,在单层熔覆层内,一次枝晶随着沉积方向从针状树枝晶,薄带状树枝晶向柱状树枝晶转变.同时,二次枝晶尺寸也随着沉积层堆积高度逐渐增大.在试样底部,中部与顶部的二次枝晶臂尺寸分别为11.54 μm,12.50 μm,15.52 μm,其尺寸随着热累积的增加而不断增大.此外,试样沿沉积方向与扫描方向的抗拉强度为517 MPa和527 MPa,均超过了锻材强度.试样断后伸长率为22.5%和15.0%.两种方向的拉伸试样断裂模式均为韧性断裂,但沿扫描方向制造的试样塑韧性优于沉积方向试样.     

Deposition of Ti-6Al-4V using a high power diode laser and wire, Part II: Investigation on the mechanical properties

The deposition with high power diode laser and Ti6Al4V wire was verified as a process which can provide a high deposition rate with good quality. Sound mechanical properties of the deposited parts are the prerequisites for the real applications of this process. In this paper, the main mechanical properties including micro-hardness and tensile properties were investigated. Single bead walls were deposited. Test pieces were machined from the deposited walls according to the British standard for the mechanical tests.The epitaxial columnar grains were found growing parallel to the building direction. A band region was observed between two deposited layers, which resulted from the remelting of previously deposited layer and multiple thermal cycles that had occurred with each subsequent deposition pass. The results showed that with the same laser power, the built samples with higher traverse speed possess similar or slightly higher hardness than the samples built with lower traverse speed. The hardness varied less than 10% with different sets of parameters. The investigations on the tensile properties were carried out with the samples as deposited and stress relieved at 700 °C in an air circulating furnace for 2 h. The as deposited samples showed better tensile properties than the stress relieved ones. This results from the reduction of the compressive residual stresses and the coarser microstructure after stress relief. The tensile properties also showed dependence on the direction of the test carried out. All the examined tensile properties of the as deposited samples matched properties of the as cast and wrought material.     

复合电刷镀金刚石线锯的制备工艺研究

使用自制电刷镀金刚石线锯制备装置研究金刚石线锯的制备工艺,分析各工艺参数对线锯性能的影响规律,并优化工艺参数。在确定电刷镀装置许用电流密度的基础上,通过单因素试验及正交试验研究工艺参数对磨粒分布密度的影响规律。结果表明:镀液中无磨粒时,随着毛毡轮转速的增大,许用电流密度先增大后减小,转速在300~500r/min时,许用电流密度达到极值;影响磨粒分布密度的因素主次顺序依次是走丝速度、电流密度、毛毡轮转速;磨粒分布密度最大值对应参数组合为走丝速度15mm/min、电流密度19kA/m2、毛毡轮转速450r/min。      

高等离子体功率密度下MPCVD法制备多晶金刚石膜

通过自制的MPCVD双基片台设备,在微波功率为1 400 W保持不变及中高气压,等离子体功率密度为357.5～807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,CH₄体积分数为1.0%～1.5%,沉积速率为1～8μm/h条件下,在直径11.5 mm的硅基片上沉积不同质量的多晶金刚石膜,并通过光谱仪、光学显微镜、拉曼光谱仪对等离子体中的氢原子及含碳基团、多晶薄膜的形貌及质量进行表征。结果表明：随着等离子体功率密度上升,等离子体椭球中的氢原子基团和含C的活性基团强度增加,金刚石膜生长速率大幅度提高,金刚石膜纯度也大幅度提升。在气压为21 kPa,等离子体功率密度为807.4 W/cm³,基片温度为850±30℃,生长时间为150 h,CH₄体积分数为1.0%及氢气流量为200 mL/min的条件下,金刚石膜的生长速率达到5μm/h,金刚石膜厚达752.0μm,金刚石拉曼峰的半高宽为6.48 cm^-1,且生长的金刚石膜质量良好。     

线速度对金刚石线锯及硅片表面质量的影响

为了考察线速度对金刚石线锯切割过程的影响,研究了不同线速度条件下金刚石线锯的磨损情况以及硅片表面质量情况,通过SEM及粗糙度仪对切后线材、硅片等进行微观及量化分析。结果表明:线速度由1 300 m/min提高至1 800 m/min,金刚石线锯磨损量由3.5 μm逐渐降低到2.5 μm,降幅为28.6%;金刚石线锯切割硅材料为塑性及脆性模式混合去除,硅片表面的形貌呈现沟槽状、连续划痕并伴随大量凹坑;随着线速度的增加,硅片表面粗糙度逐渐减小,算数平均粗糙度R_a、最大高度R_z以及最大表面粗糙度R_t数值分别下降了33.7%、37.8%、45.6%,表面凹坑数量随着线速度的增大也逐渐减少。      

基于TIG堆焊技术的低碳钢零件精密快速成形

建立了基于TIG堆焊技术的熔焊快速成形系统,包括焊接电源、TIG焊枪、送丝机构、数控机床、工控机和电压电流采集卡等.TIG焊机进行堆焊成形,数控机床控制焊机的行走并进行后续的切削加工,工控机采集焊接过程中的成形数据,进行反馈控制.针对低碳钢TIG堆焊成形过程中热量积累导致工件边缘塌陷的问题建立了电压反馈模糊控制系统.结果表明,在电压反馈模糊控制系统的辅助下进行堆焊可获得成形良好的墙体工件.进行了圆筒形状低碳钢零件的熔焊快速成形,在TIG堆焊的基础上进行了数控切削加工,获得了高精度的成形工件.     

Al-6.3CuAC-GTAW电弧增材成形的气孔控制

采用AC-GTAW工艺进行Al-6.3Cu铝合金电弧填丝单道多层成形试验,针对不同热输入、空气和氩气两种环境及不同送丝速度条件,研究过程参数及环境气氛对成形件内部气孔的影响。结果表明,热输入对气孔的影响最大,控制热输入能减少试件中气孔数量和大小;在适当控制热输入条件下,采用氩气环境和低送丝速度可显著减少内部气孔缺陷。试验发现,I=125 A,vTS=0.30 m/min,氩气环境下,vWFS=2.0 m/min时,气孔数量最少,尺寸最小。