CeO_(2)添加量对电弧增材制造铁基形状记忆合金组织和性能的影响

采用粉芯丝材+电弧增材制造技术制备了含不同质量分数(0,1%,2%,3%)CeO_(2)的Fe-14Mn-6Si-9Cr-5Ni铁基形状记忆合金,研究了CeO_(2)添加量对试验合金显微组织和形状记忆性能的影响。结果表明:添加质量分数1%的CeO_(2)后,合金晶内析出相减少,晶界处析出较大尺寸的稀土化合物,组织均匀,弯曲变形后未出现ε马氏体跨晶生长现象,且马氏体交叉状态较少;当CeO_(2)质量分数增加至2%和3%时,晶内析出相增多,分布均匀性变差,且在弯曲变形后ε马氏体跨晶生长和交叉特征增多;随着CeO_(2)添加量增加,试验合金的晶粒尺寸减小,层错概率增大,形状回复率先增大后减小,当CeO_(2)质量分数为1%时晶粒尺寸较小,层错概率较大,形状回复率最大,形状记忆性能最好。

冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^(-1))对温度场的影响。结果表明:模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。

机械振动对电弧增材制造2319铝合金微观组织与机械性能的影响

为了解决电弧增材制造试样晶粒粗大、机械性能较差等问题,在电弧增材制造2319铝合金过程中施加机械振动,分析了机械振动频率和幅度对试样微观组织和机械性能的影响。结果显示:机械振动使熔池流动性提高,熔池更加铺展,层宽增加,层高降低;振动破碎了生长过程中的枝晶,使INZ晶粒尺寸减小14.49μm,ITZ晶粒尺寸减小4.68μm;枝晶间隙处的溶质元素含量降低,晶界析出相变得断续且细小,PLC效应间隔增加,材料延伸率显著提高;机械振动频率和机械振动幅度改变时纵向和横向延伸率分别提升了38.2%,15.7%和29.3%,52.5%,而强度变化并不显著。采用机械振动辅助电弧增材制造能够在不影响强度的前提下显著提高试样的塑性,可为机械振动在增材制造领域的广泛应用提供技术参考。

冷金属过渡电弧增材制造高强钢过程中温度场的数值模拟

基于冷金属过渡(CMT)高频熄弧的特性,在双椭球热源模型的基础上建立了动态热源模型,采用ABAQUS软件建立了高强钢CMT电弧增材制造单道十层成形件的有限元模型,对成形过程中的温度场进行模拟,并与试验结果进行对比;采用模拟方法研究了层间冷却时间(30,60,90 s)和基板预热温度(20,200,300℃)对温度场的影响规律。结果表明:模拟得到基板表面距焊道中心20.5 mm处的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,波峰和波谷温度的相对误差均在10%以内,证明了模型的准确性。沉积下一层时仅对前一层起到重熔作用;在沉积过程中,熄弧端的峰值温度高于起弧端,而在冷却过程中,两端温度差逐渐降低。随着层间冷却时间的延长,熔池最高温度降低且熔池存在的时间变短,在冷却阶段的冷却速率增大但其增大的程度降低,成形件两端温度差降低,最佳层间冷却时间为90 s;随着基板预热温度的升高,熔池的最高温度和熔池尺寸均增加,最大波谷温度差先减小后增大,在基板预热200℃条件下,成形件的最大波谷温度差最小,温度分布更加均匀。

层间温度对CMT电弧增材制造2Cr13不锈钢薄壁件成形及组织和性能影响

该文利用冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)技术,使用电弧丝材增材制造系统制造2Cr13马氏体不锈钢单道多层薄壁试样,并研究了不同层间温度(100℃,150℃和200℃)对薄壁试样表面成形,微观组织和力学性能的影响。研究结果表明,较高的层间温度会使得薄壁成形件整体温度升高,散热状况变差,熔池高温存在时间增长,熔融金属流动性增强,最终导致成形件表面变差甚至塌陷。成形件中部组织在经历反复加热和冷却过程后,主要由极为细长的板条马氏体组成,并伴有少量铁素体以及沿铁素体晶界析出的碳化物。靠近重熔区位置由于熔池的热作用会导致马氏体组织过热而发生相变,形成密集的铁素体。随着层间温度减小,成形件晶粒尺寸和分布更为细小均匀;另外,弥散分布在铁素体晶界上的碳化物阻碍位错运动,两者的共同作用使得显微硬度和抗拉强度随层间温度降低而升高,同时拉伸试样的断后伸长率也随之增大。拉伸断裂形式均为韧性断裂,随着层间温度的减小,同取样方向上拉伸试样断口尺寸越来越大,韧窝也越来越深。

工艺参数对电弧增材制造工件的影响

电弧增材制造具有高沉积速率、高质量、无尺寸限制的特点,能够满足具有高机械性能要求的中大型部件的制作需求。电弧增材制造AlMg合金过程中制备工艺参数对工件的宏观形貌、微观组织及力学性能均会产生重要影响。本文通过研究焊丝盘松紧度、焊接速度、焊接电流和层间等待时间对电弧增材制造AlMg合金成形的影响,确定了最佳制备工艺参数。研究表明,焊丝盘松紧度为2时,增材设备送丝顺畅,焊道成形效果好;焊道成形与热输入有关,焊接速度越小,增材过程产生的热输入值越大,当焊接速度为36 cm/min时,单道焊缝的成形缺陷最少,成形效果良好;焊接电流越大,增材过程产生的热输入值就越大,当焊接电流为65 A时,焊道形貌均匀;层间等待时间增加到150 s时,合金晶粒为均匀细小的等轴晶,平均晶粒尺寸降至52.9μm。

镁合金电弧增材制造研究现状及展望

电弧增材制造由于其高沉积速率、高材料利用率、低成本以及具有制造大尺寸构件的能力而得到研究人员的广泛关注,有望广泛应用于镁合金的快速成形。本文概述了电弧增材制造用镁合金丝材的种类及其对丝材的要求,总结了现今适合于镁合金电弧增材制造用丝材的制备方法,重点论述了镁合金电弧增材制造工艺的制备技术、基本原理、微观组织及力学性能,讨论了不同电弧增材制造工艺制备不同镁合金的影响因素,分析了镁合金电弧增材制造目前可用丝材种类少以及增材制造构件形性尚不可控等问题,并且在优化电弧增材制造镁合金构件性能和推进应用方面进行了展望。

高强铝合金电弧增材制造的研究进展

高强铝合金因具有高强度、低密度、优异的延展性和抗腐蚀性,成为了航空航天和汽车应用零件最常用的金属材料之一。电弧增材制造技术具有快速原位成形制造复杂结构零部件的能力,非常适用于中型或大型高强铝合金铝部件的制造。本文综合分析了高强铝合金电弧增材制造工艺和设备研发现状、高强铝合金电弧增材的固有属性和缺陷以及主要的性能优化手段,讨论了组织和性能的固有特征和复合增材制造技术对组织和性能的影响。针对电弧增材制造高强铝合金不可忽略的本质冶金缺陷、特征性能需求和多种优化工艺的优劣等问题,提出了电弧增材制造高强铝合金综合评价体系、成分设计和丝材开发、专用热处理制度和复合增材制造技术的协同性等发展方向,以期为电弧增材制造高强铝合金的性能提升和应用推广提供重要参考。

微量TiC粉末合金化改善电弧增材制造Ti-6Al-4V合金的组织和性能

原位合金化是调控增材制造钛合金微观组织和力学性能的有效方法,文中研究了添加微量TiC粉末对电弧增材制造Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响.结果表明,添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金中的柱状β晶粒尺寸减小,α-Ti相细化,微观组织为精细的网篮组织,抗拉强度和断后伸长率达到了1029 MPa和14.8%,分别提高了12.8%和26.5%,实现了电弧增材制造Ti-6Al-4V合金强度和塑性的协同改善.同时,沉积合金的显微硬度提高至362.9HV,相比Ti-6Al-4V合金提高了11.4%.通过电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)分析得出,TiC粉末的添加降低了沉积合金的织构强度,增加α-Ti相的取向.添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金力学性能的提高主要归因于细晶强化和固溶强化效应,其中细晶强化是主要的强化机制.对比分析两种沉积合金的拉伸试样断口得出,Ti-6Al-4V合金的断口形貌呈现出塑性-脆性混合断裂,添加质量分数0.5%TiC粉末后,断口形貌呈现出塑性断裂.证实了TiC粉末作为电弧增材制造Ti-6Al-4V合金晶粒细化剂的潜力.

基于粒子群优化算法的电弧增材制造焊道尺寸反向传播神经网络预测模型

选取焊接电流、送丝速度、焊接速度及基板温度作为输入变量,焊道熔宽和余高作为输出变量,选择粒子群优化(PSO)算法中的最优粒子惯性权重和学习因子,构建熔化极惰性气体保护电弧增材制造316L不锈钢PSO反向传播(PSO-BP)神经网络模型。结果表明:PSO-BP神经网络模型预测的焊道熔宽与期望值的均方根误差、最大相对误差与平均相对误差分别为0.386,13.477%,2.580%,焊道余高的分别为0.152,10.372%,2.810%;相较于BP神经网络模型,PSOBP神经网络模型对焊道尺寸的预测精度更高,稳定性更强。

基于二次通用旋转组合设计的冷金属过渡电弧增材制造AZ31镁合金焊道截面尺寸研究

基于冷金属过渡的电弧增材制造技术制备了AZ31镁合金单道试样,测试了单道试样的焊道宽度和焊道高度。根据二次通用旋转组合试验设计与二次多项式逐步回归分析,建立了高度显著的焊道宽度和焊道高度与摆动宽度、焊接速度、送丝速度和基板温度等工艺参数间的关系式。结果表明,工艺参数对焊道宽度的影响主次顺序依次为摆动宽度、送丝速度、基板温度、焊接速度,对焊道高度的影响主次顺序依次为焊接速度、摆动宽度、基板温度、送丝速度。随摆动宽度的增大,焊道宽度逐渐增大,焊道高度逐渐减小;随焊接速度的提高,焊道宽度和焊道高度均逐渐减小;随送丝速度的提高,焊道宽度和焊道高度也随之同步增大;随基板温度升高,焊道宽度增大,焊道高度降低。

电弧增材制造T形件连接节点力学性能研究

电弧增材制造(WAAM)技术在结构工程领域有着广泛的应用前景,具有生产效率高、设备成本低、材料利用率高和环境可持续性等优点。为了探究WAAM碳钢T形件连接节点的力学性能,设计一系列共12组由WAAM碳钢T形件、高强钢(HSS)T形件和高强螺栓组成的连接节点试件,通过试验研究螺栓线位置与螺栓排列方式对试件初始刚度、破坏模式及极限承载力的影响。采用三维激光扫描技术测量WAAM碳钢T形件相关几何参数,采用数字图像相关技术(DIC)辅助测量了T形件连接节点在加载过程中的位移响应。结果表明:WAAM碳钢T形件具有较好的力学性能,当螺栓线与腹板翼缘连接处距离减小时,试件的初始刚度与极限承载力均呈上升趋势,而失效模式均为预期的翼缘破坏,且螺栓未发生断裂。通过对比试验结果和现有设计规程计算结果,对相关计算方法的适用性与准确性进行评估,发现现有设计方法高估了试件的初始刚度,对破坏模式的预测较为准确,但对极限承载力的预测偏保守。最后,对已有计算模型进行修正,修正后的计算模型对连接节点极限承载力的预测效果较好。

沉积策略对电弧增材制造5356铝合金显微组织、缺陷和力学性能的影响

基于电弧增材制造技术(WAAM)研究往复扫描(RS)、振荡扫描(OS)和垂直扫描(VS)3种沉积策略对5356铝合金(AA5356)构件的影响,探讨5356铝合金构件的显微组织、缺陷和力学性能。结果表明:相比于RS和OS策略,VS策略使得构件的热量分布均匀。VS策略的显微组织主要由等轴晶组成,使得显微硬度最高值达到HV 77.25。VS策略使得构件的气孔率和微孔尺寸分别下降了45.52%和19.81%,从而改善了拉伸性能。因此,VS策略为获得显微组织均匀、力学性能优异的AA5356构件提供了一种新的解决方案。

电弧增材制造2219铝合金热变形组织演变及本构方程

采用热压缩方法研究了电弧增材制造2219铝合金的热变形行为,变形温度为360~510℃,应变速率为0.01~10 s^(-1)。分析了温度和应变速率对流变应力和微观组织的影响,采用Zener-Hollomon参数的双曲正弦函数建立了电弧增材制造2219铝合金热变形本构方程。结果表明,电弧增材制造2219铝合金热压缩峰值应力随温度的升高和应变速率的降低而逐渐降低。电弧增材合金在420℃及以下温度仅发生滑移变形,450℃及以上发生动态再结晶,480℃为最佳锻造温度,发生完全动态再结晶,可有效细化增材晶粒。本构方程以动态再结晶温度(450℃)为临界点分为两段,动态再结晶温度以下变形激活能为212.53 kJ·mol^(-1),动态再结晶温度以上为163.37 kJ·mol^(-1)。沿晶界分布的共晶θ相在热压缩过程中发生破碎和固溶,变形温度越高或应变速率越小,固溶程度越高。

热传导模式对电弧增材制造800 MPa级船用高强钢组织与性能的影响

为了研究热传导模式对800 MPa级船用高强钢增材构件组织与性能的影响,采用电弧增材制造技术在不同工艺下沉积了800 MPa级船用高强钢构件,并对其进行微观组织表征和力学性能测试.沿高度方向沉积时,构件底部主要为针状铁素体和马氏体组织,中部和顶部为块状和针状铁素体+粒状贝氏体组织,水平和竖直方向的屈服强度分别为708 MPa和652MPa,抗拉强度分别为895 MPa和831 MPa,-60℃冲击吸收能量分别为66 J和86 J;沿横向沉积时,构件的显微组织为细小的针状铁素体和板条状马氏体,屈服强度和抗拉强度分别达到929 MPa和1 020 MPa,-60℃冲击吸收能量为92 J,结果表明,800 MPa级船用高强钢增材构件的力学性能对热传导模式的敏感性较高,优化热传导模式可以明显提升其综合力学性能.

热处理对电弧增材制造TC4钛合金组织和性能影响的研究进展

电弧增材制造(WAAM)TC4钛合金相比传统制造工艺具有成本低,沉积速率高等优势,应用前景广阔。然而电弧沉积过程会使材料微观组织结构不均匀、产生残余应力,造成其力学性能的各向异性,故需采用合适的热处理工艺以消除不利影响、进一步满足使用性能要求。本文综述了近年来国内外关于热处理调控电弧增材制造TC4合金组织性能方面的相关文献,全面分析了热处理对TC4合金等轴晶形成及细化的影响机制,讨论了热处理工艺对TC4合金强度、塑性、硬度、疲劳、抗蠕变等力学性能的影响因素与作用机理,最后对WAAM热处理工艺对调控TC4合金组织和性能的研究进行了展望。

多丝电弧增材制造研究进展

航空航天事业的快速发展对高强度且轻量化的铝合金材料提出了更高需求,但是由于这些合金的自身物理特性,存在焊丝制备困难的问题,因此采用多丝电弧增材制造方法合成目标合金材料引起了越来越多学者的关注。同时为了得到组织均匀、性能稳定的产品,通过在线监测实现增材过程的调控也是一大难点。本文介绍了近年来众多学者在过程检测及控制、熔滴过渡调控和微观组织等方面做出的努力,总结了多丝电弧增材制造所存在的问题及面临的挑战,并对未来的研究目标及发展前景进行了分析。

CMT电弧增材制造的5356铝合金薄壁件力学性能及其强化机理研究

采用CMT电弧增材制造了5356铝合金单道多层薄壁件,研究了5356铝合金薄壁构件的力学性能。并探讨不同电流情况下不同沉积高度的熔池形貌变化以及组织变化。结果表明,5356铝合金显微组织主要为α(Al)基体与β相,强化机理主要为细晶强化和析出相强化。5356铝合金组织和性能在不同沉积高度有差异。构件底部由于受到热循环更多,晶粒较为粗大,二次相较多且连续分布,而顶部受到热循环较少,晶粒相对细小且二次相主要呈点状析出。随着电流升高,薄壁构件力学性能逐渐降低。

316L不锈钢MIG电弧增材制造中焊道成形尺寸的关键影响因素及优化策略

为探讨316L不锈钢MIG电弧增材制造中不同电流模式下的工艺参数对焊道成形尺寸的影响。首先通过控制变量法研究了恒流模式下基板温度、焊接电流、焊接速度及线能量对对焊道成形尺寸的影响规律;其次,采用正交试验法研究了脉冲电流下焊接电流、焊接速度、占空比和脉冲频率对焊道成形尺寸的影响,利用多元线性回归方法构建脉冲电流下工艺参数(焊接电流、焊接速度、占空比、脉冲频率)与焊道熔宽和余高尺寸预测模型。结果显示:在恒流模式下,焊接电流为150 A,焊接速度为4 mm/s,基板温度控制在100~150℃时,成形形貌较好;在脉冲电流下,焊接电流为140 A、焊接速度为5 mm/s、占空比为0.8、脉冲频率为3 Hz时焊道成形效果最佳。线能量大于7242 J/cm时成形效果较差。此外,建立了脉冲电流下工艺参数与焊道熔宽和余高的多元线性回归模型,经验证该回归模型能够准确预测焊道成形尺寸。

大型钢结构多向钢节点电弧增材制造工艺

多向钢节点作为连接大型钢结构的关键构件,承载钢结构建筑各方向的力,对其安全性起至关重要的作用。基于七向钢节点结构特点,文中研究了电弧增材制造钢结构建筑的七向钢节点,采用分区成形、平曲面切片及摆动填充的路径规划方法,将其分为直臂圆管区、相贯区和支管延长区3个区域,相贯区包括两管相贯、三管相贯和四管相贯3种类型。直臂圆管区和支管延长区采用摆动工艺进行堆积,两管相贯、三管相贯和四管相贯区分别采用曲面切片的路径规划进行堆积。对堆积完成的构件进行成形精度检测、微观组织的观测和力学性能的测量。结果表明,七向钢节点构件成形尺寸偏差为±1.32 mm,成形精度较高。微观组织为铁素体和珠光体,构件的抗拉强度和屈服强度相对于同成分铸件分别提高了约30%和105%,电弧增材制造的七向钢节点满足使用要求。