钛合金电弧增材制造工艺及微观组织调控的研究现状

钛合金以其高强度、抗高温蠕变、低密度以及良好的生物相容性等性能特点,在航空航天、生物医学等领域得到广泛应用。当使用传统机械加工和铸造工艺制造钛合金构件时,其存在生产工艺复杂、材料利用率低、难以一次成型复杂结构等问题。增材制造(Additive manufacture,AM)作为一种新兴制造技术,因其特有的逐层堆积的工艺特性,在钛合金材料及其复杂构件生产制造方面具有广阔的应用前景。电弧增材制造(Wire arc additive manufacture,WAAM)具有沉积效率高、原材料利用率高、设备成本低等特点,是增材制造工艺中研究最早且应用最成熟的一种工艺。由于电弧增材制造过程中液态金属凝固速率大,其组织中易出现马氏体、针状α相、魏氏体相,这将极大削弱其力学性能并造成力学性能的各向异性。此外,构件表面粗糙度高、残余应力大、尺寸精度低等缺点也是限制电弧增材制造被广泛应用的重要因素。因此,需要对增材件的微观组织进行调控,并改进电弧增材制造工艺,以提高钛合金构件性能。当前,钛合金增材件微观组织的调控主要有两种工艺路径:后热处理和实时调控。后热处理是对增材构件进行适当的热处理以改善合金组织,提高钛合金性能。实时调控主要通过添加合金元素的方法进行冶金调控,并且可以生成强化相或细化晶粒。此外,将增材制造与其他辅助工艺相结合,如借助层间冷却、喷丸和超声波冲击处理等工艺,不仅可以细化晶粒,还可以有效地释放残余应力。本文首先介绍了钛合金电弧增材制造技术的工艺特点,综述了用于制造钛合金零件的几种基本WAAM工艺,并介绍了不同工艺下钛合金的组织及性能,讨论了用于优化钛合金增材制造件的微观结构、提高其力学性能的工艺方法,最后总结了当前几种WAAM工艺的优劣,以及微观组织调控的方法,并展望了WAAM未来的研究方向。

脉冲激光焊接Zr基非晶合金晶化后纳米压痕行为

试验采用脉冲激光束将Zr基非晶合金与铝结合,研究焊接接头中非晶合金晶化后的纳米压痕变形行为。该文从自由体积与塑性变形能量耗散的角度详细分析了不同晶化相含量对变形行为的影响。焊接接头不同区域的微区X射线衍射研究表明,由于不同的冷却速率可形成3个不同的结晶度区域,焊缝由部分结晶区域(熔合区和热影响区)和非晶态区域(BMGs母材)组成,并且形成了Zr2Cu和Zr2Ni等硬质金属间化合物。该文讨论了压痕周围的锯齿状流动行为和堆积形态,验证了非晶合金中,自由体积越大的区域在纳米压痕过程中呈现出更明显的锯齿,结晶率最高的熔合区具有最高的纳米压痕硬度和约化弹性模量。在1600~3100μN压痕载荷范围内,纳米压痕中的塑性变形能耗随压痕载荷的增大而增大。

不同脉冲模式下熔滴过渡对铝合金增材微观组织及力学性能的影响

采用单、双脉冲MIG电弧增材制造工艺制备了铝合金成型件,建立高速摄像以及电信号同步采集系统对增材过程进行实时监测,结合堆垛过程中实时电压、电流信号,对比分析了单、双脉冲MIG工艺的熔滴过渡行为及其对增材件微观组织和力学性能的影响。结果表明,单脉冲与双脉冲熔滴过渡均为一脉一滴,相比于单脉冲大滴模式,双脉冲MIG工艺熔滴过渡频率更高,熔滴尺寸更小,获得的铝合金成型件的精度更高。单脉冲与双脉冲模式下所获得的微观组织存在明显差异,双脉冲MIG工艺中,两层熔合处可获得细化的晶粒,有效地改善了堆垛层的微观组织。对比两种电弧波形的增材件的力学性能,双脉冲MIG增材件的最大抗拉强度可以达到245.57 MPa。

铝/钢电弧辅助激光对接熔钎焊接头组织及力学性能

使用电弧辅助激光方法实现了铝合金和热镀锌钢的对接熔钎焊。对接头不同区域的组织构成及分布进行了分析,并对熔钎焊接头的力学性能进行测试,讨论了接头拉伸力学性能的影响因素及断裂行为。结果表明:根据焊缝成形可将熔钎焊对接接头分为铺展区、焊缝区、界面区,整个对接接头主要由α-Al柱状组织、Al-Fe金属间化合物等微观组织构成。根据断裂位置的不同,将接头的断裂分为两种典型的模式:由于晶界元素偏析而引起的焊缝区断裂,以及金属间化合物引起的铝/钢界面区断裂。接头的抗拉力学性能由焊缝成形、焊缝组织及金属间化合物等多种因素共同决定。

焊丝成分对铝/钢电弧辅助激光熔钎焊接头组织及力学性能的影响

采用电弧辅助激光熔钎焊方法实现了铝合金与镀锌钢的对接焊,并在焊接过程中通过填充Al-Mg、Al-Cu及Al-Si焊丝对接头的焊缝及界面进行微观组织调控。采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、电子探针(Electron probe micro analyzer,EPMA)对填充不同焊丝的焊缝及Al/Fe界面处的微观组织进行了观察与物相分析,对接头进行了拉伸力学性能测试,并讨论了界面金属间化合物形成及其对接头断裂性能的影响。结果表明:填充Al-Mg、Al-Cu焊丝的接头在界面处生成了Fe_(2)Al_(5)和Fe_(4)Al_(13)两种金属间化合物,而填充Al-Si焊丝时界面处生成了Al_(8)Fe_(2)Si和Fe_(4)Al_(13)。填充Al-Si焊丝的接头可获得最大抗拉强度176 MPa,接头断裂在拉伸应力-应变曲线的塑性变形阶段。界面金属间化合物厚度并非影响接头失效的决定性因素,而Fe_(2)Al_(5)自身裂纹和界面处不同相的晶格匹配决定了接头的力学性能。

铝/钢电弧辅助激光熔钎焊焊接过程热特性分析

采用有限元建模分析方法,建立了铝/钢电弧辅助激光熔钎焊焊接过程的三维非线性温度场计算模型,研究了热源间距、焊接电流和激光热输入等参数对接头表面温度分布和界面热循环的影响。结果表明,工件表面高温区呈现为前大后小的“葫芦”状分布,界面热循环曲线呈现出双峰特征,激光热输入决定了竖直界面的最高峰值温度,焊接电流和热源间距主要影响热循环曲线冷却阶段。界面热循环峰值温度的提高,会导致金属间化合物层厚度的增加,影响接头组织演变。

旁路耦合电弧增材制造热过程与组织关系

利用旁路耦合微束等离子弧焊,进行了ER304L不锈钢电弧增材制造的研究.通过进行组织观察和显微硬度测试,并结合增材过程中所测得的热循环曲线,分析了不同旁路电流、堆垛顺序对304不锈钢堆垛样组织和性能的影响.结果表明,旁路耦合微束等离子弧焊增材制造过程中,当旁路电流增大时,堆垛样组织的枝晶间距先减小后增大;堆垛顺序对组织的影响表现为,散热方向的不同导致了枝晶生长方向发生改变.试样的显微硬度沿着堆积高度方向缓慢降低,且随着旁路电流增大,硬度先增大后降低;同时堆垛顺序对硬度的影响并不明显.

铝/钢微束等离子熔钎焊接头组织及力学性能

采用微束等离子焊接方法进行6010铝合金/镀锌钢对接熔钎焊工艺试验,在合适的工艺参数下获得成形良好的铝/钢熔钎焊对接接头,采用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪、拉伸试验机等多种测试手段对所得接头形貌、微观组织及力学性能进行分析.结果表明,所得接头焊缝正、背面铺展良好,无气孔、裂纹、夹渣等明显缺陷,为典型的铝/钢熔钎焊对接接头;接头界面处形成锯齿状的Fe2Al5金属间化合物,且金属间化合物层厚度和焊缝铺展宽度共同决定了接头强度,当焊接电流为38.5 A时,熔钎焊接头抗拉强度为193 MPa,为铝母材的79.8%,接头断裂形式为韧脆混合断裂.

铝/钢预置高熵合金粉末对接接头组织及力学性能

采用微束等离子的焊接方法进行6010铝合金/钢预置CrMnFeNiZr高熵合金粉末对接熔钎焊工艺试验,在合适的工艺参数下可获得成形较好的熔钎焊接头,对所得接头进行微观组织及力学性能分析.结果表明:焊接过程中CrMnFeNiZr高熵合金粉末发生熔化,和液态铝一同形成焊缝;接头界面区生成较平整的FeAl3金属间化合物层,经显微硬度测试,该区域硬度最大,平均硬度为526.1 HV;经拉伸测试,试样断裂于铝合金/钢界面处,接头抗拉强度为104 MPa,和未预置高熵合金粉末的接头抗拉强度73.7 MPa相比,预置CrMnFeNiZr高熵合金粉末所得接头强度提高.

增材制造技术制备梯度材料研究现状

梯度材料是一种新型复合材料,其组成成分、微观组织和性能在空间上呈梯度变化。增材制造所具有的离散-堆积工艺为梯度材料的制备提供了新的路径,与传统的梯度材料制备工艺相比,增材制造方法可以实现一个或多个方向上梯度材料的制备,同时具有制备复杂结构件的能力。梯度材料增材制造工艺主要包括激光增材制造、电子束增材制造和电弧增材制造,其中激光增材制造是目前研究最多且应用最广的工艺。路径规划对梯度材料成分梯度、质量和成形精度有重要的影响,已成为梯度材料增材制造研究的一个重要方向。综述了梯度材料增材制造方法、梯度微观组织,以及制造过程中路径规划的国内外研究现状,可以为梯度材料增材制造研究提供参考。

随焊氩气激冷控制铝/钢薄板焊接应力与变形数值模拟

采用有限元分析软件ANSYS,对不同焊接工艺条件下铝/钢异种金属薄板对接熔钎焊接过程进行数值模拟,建立了TIG电弧热源与氩气冷源模型,将常规焊接和随焊氩气激冷焊接的残余应力与变形进行对比分析,研究发现:随焊氩气激冷技术可使焊接纵向残余应力和变形分别降低32.8%和48.1%。为了验证数值模拟结果的准确性,进行了铝/钢异种金属薄板熔钎焊试验,将温度场与应力场的模拟值与试验值进行对比,结果显示两者吻合较好,表明随焊氩气激冷技术可有效控制铝/钢薄板焊接残余应力与变形。

锆基非晶合金脉冲激光焊及接头组织特性

采用脉冲激光焊接的方法对锆基非晶合金(Zr_(44)Ti_(11)Ni_(10)Cu_(10)Be_(25))进行对接熔焊工艺试验,在合适的工艺参数下获得成形良好的锆基非晶合金熔焊对接接头。采用金相显微镜、场发射扫描电镜、X射线衍射仪、显微硬度仪、同步热分析仪等多种测试手段对成形接头的形貌、晶体相、结晶组织特性及热稳定性进行分析。结果显示,在接头热影响区的二次电子图像中发现了纳米结晶,焊缝区则为小块体状结晶相;热影响区及焊缝区的布拉格衍射峰对应的是Zr_(2)Cu和Zr_(2)Ni;接头三个区域中,焊缝区表现出最高的维氏硬度;结合DSC曲线中放热峰的晶化热焓,计算出接头热影响区与焊缝区的结晶分数分别为4.2%和32.0%。

高强管线钢焊接残余应力研究现状

在高强管线钢的工程应用过程中,较高的焊接残余应力会导致焊缝产生应力腐蚀和疲劳裂纹以至失效。简要介绍了高强度管线钢的焊接方法,对比了传统电弧焊与先进焊接方法的工艺特点,以及不同焊接方法的残余应力分布,概述了通过无损检测手段进行残余应力分析的相关研究结果,并通过数值模拟进行了焊接残余应力的对比和分析。指出,通过不同的数值模型及有限元分析等手段,可快速获得不同焊接方法的接头残余应力分布,以便于对焊接工艺进行调整。

不同预边堆焊过渡层对12Cr2Mo1R/S30408接头组织与性能的影响

针对厚板低合金耐热钢和奥氏体不锈钢异种钢焊接存在的难题,提出在耐热钢一侧预边堆焊2~3 mm厚的E309L、ENiCrFe⁃3、ENiCrMo⁃3三种不同过渡层,AA⁃TIG焊打底及埋弧焊填充的高效高质量的焊接方法。采用金相显微镜和扫描电镜观察界面微观组织形貌,采用电子探针分析界面合金元素分布,采用显微硬度和拉伸试验对接头力学性能进行测试。结果表明:12Cr2Mo1R母材/堆焊层界面处Cr、Ni、Fe元素存在大的浓度梯度,E309L堆焊层焊缝组织的铁素体含量大于ENiCrMo⁃3和ENiCrFe⁃3堆焊层。通过电子探针发现,碳原子在靠近融合线的晶界处有富集的现象,在ENiCrMo⁃3堆焊层中有M_(23) C_(6)碳化物析出相。E309L、ENiCrFe⁃3、ENiCrMo⁃3堆焊层与母材界面的最高硬度依次增加,且向中心方向逐渐降低。E309L、ENiCrFe⁃3、ENiCrMo⁃3三种过渡层的焊缝接头的拉伸强度分别为608.1 MPa、596.2 MPa、564.5 MPa,断后伸长率分别为21.7%、21.2%、18.2%,且断口形貌都呈韧窝状。

Zr基大块金属玻璃与304L不锈钢脉冲激光焊接接头微观组织特性

采用脉冲激光的方法实现了Zr44Ti11 Ni10Cu10Be25(原子分数,%)大块金属玻璃与304L不锈钢板的焊接。用场发射扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪对焊接接头不同区域的显微结构和化学成分进行了表征。由于冷却速度不同,形成了三个不同的结晶区。接头由部分结晶区(热影响区、焊缝区和304L不锈钢/焊缝区界面)和非晶区(Zr基BMG母材)组成。热影响区出现花瓣状和小颗粒的结晶,X射线衍射图谱中衍射峰强度很小,焊缝区出现一些十字雪花状的结晶,衍射峰对应Zr 2Cu和Zr 2Fe相,而在304L不锈钢/焊缝区界面处XRD图谱中出现大量尖锐的晶体峰。通过计算得到热影响区、焊缝区和304L不锈钢/焊缝区界面三个不同的结晶区的结晶分数分别为1.4%、10.0%、27.4%。焊缝区形成的晶态组织维氏硬度最大。大块金属玻璃与焊缝区之间形成扩散层,表明焊接过程中Zr通过扩散层向焊缝区迁移。

铝/铜异种金属熔钎焊工艺及界面调控方式的研究现状

铝/铜复合结构件具有质量轻、综合性能优异等优势使其在电气电工、航空航天、新能源汽车等行业具有广泛的应用前景。但由于铝/铜在物理化学性能上的差异,使其在焊接过程中存在界面调控等诸多问题。为解决这些问题,国内外研究者通过工艺调控和冶金调控来抑制金属间化合物的生长,促进Al/Cu之间的冶金结合。文中从铝/铜熔钎焊方法进行了综述介绍,重点总结了焊接接头界面调控的方法,提出了该领域的研究热点及难点,并且探究了未来铝/铜焊接的发展趋势及应用前景。结果表明,从焊接效率、焊接强度来看当属熔钎焊最佳,但是其接头处的金属间化合物影响了其机械性能,通过添加微量元素的冶金调控,可以使其力学性能大幅提升。

高强铝合金先进增材制造方法研究现状

近年来,我国由世界制造大国向制造强国转变,增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术顺应制造业高速发展的趋势而生,由于其自身独特的优势获得了高速发展。与传统材料加工方式相比,增材制造技术基于分层-叠加原理,可实现特殊零部件的定制,具有零件生产周期短、材料消耗少等特点。高强铝合金增材制造技术主要应用在航空航天领域,为了开发更有效的高强铝合金AM工艺,以降低成本和提高质量,从增材制造技术优势出发,讨论了几种高强铝合金先进增材制造方法和改善其力学性能的方式,同时介绍了减少或消除缺陷的先进增材制造技术工艺的最新发展。

Residual stress and welding distortion of Al/steel butt joint by arc-assisted laser welding-brazing

The thermo-elastic.plastic finite element method(FEM)is used to simulate the thermo-mechanical behavior of Al/steel tungsten inert gas(TIG)arc-assisted laser welding-brazing(A-LWB)butt joint.The influence of material nonlinearity,geometrical nonlinearity and work hardening on the welding process is studied,and the differences in the welding temperature field,residual stress and welding distortion by A-LWB and by single laser welding-brazing(SLWB)are analyzed.The results show that the thermal cycle,residual stress distribution and welding distortion by the numerical simulation are in good agreement with the measured data by experiments,which verifies the effectiveness of FEM.Compared with the SLWB,A-LWB can make the high-temperature distribution zone of weld in width direction wider,decrease the transverse tensile stress in the weld and reduce the distribution range of longitudinal tensile stress.And the welding deformation also decreases to some extent.

铝/镀锌钢电弧辅助激光涂粉填丝熔钎焊方法

采用电弧辅助激光焊接方法通过添加Al-12%Si焊丝进行了铝/镀锌钢异种金属涂粉对接熔钎焊工艺试验,分析了送丝速度对焊缝成形的影响;运用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、材料试验机等观察分析了焊接接头各区域的微观组织、断口形貌、物相成分和接头力学性能。结果表明:在适当的焊接参数和工艺条件下,能够得到正反面成形良好的对接接头。当焊接速度一定时,随着送丝速度的增大,焊缝正面的铺展宽度减小,背面的铺展宽度增大。Si元素主要富集在接头上部,焊缝中的组织主要有α(Al)基体及沿晶界分布的Al-Si共晶相。铝/钢界面层生成了不均匀的金属间化合物层,其主要物相有Al_8Fe_2Si、Fe_4Al_(13)和Fe_2Al_5,接头最大抗拉强度可达130 MPa,断口表面形貌呈现韧性和脆性共存的混合型断裂特征。

铝/铜电弧熔钎焊接头界面组织及演变研究

采用旁路耦合电弧焊方法实现了铝合金与紫铜的熔钎焊,并研究焊后退火下铝/铜界面组织的演变。采用扫描电镜观察焊后及不同退火工艺下界面微观组织的形貌,同时,通过能谱仪及X射线衍射对界面的物相进行确定,并通过蒙特卡洛结合原胞自动机方法建立界面金属间化合物的热力学-动力学模型,分析了界面组织的演变行为。结果表明,通过旁路耦合电弧方法可实现铝/铜的熔钎焊,铝/铜焊接接头经250~400℃退火3h后,界面处最终形成Cu Al、Cu9Al4和Cu Al2三种金属间化合物,随着退火温度的增加,界面金属间化合物厚度呈线性增加,最大厚度为38.39μm,铜-铝界面金属间化合物的形成由原子间互扩散和界面化学反应共同决定。