基于摩擦搅拌的金属增材制造实验装置研制

为了研究工艺参数对增材摩擦搅拌沉积工艺的影响,基于摩擦搅拌工艺原理自主研制了金属增材制造实验装置。在主轴转速420 r/min、进给速度72 mm/min、移动速度72 mm/min、增材层厚3 mm、启动时间50 s的工艺条件下,对6061铝合金进行了单层和双层增材沉积初步实验。结果表明,该实验装置实现了良好的铝合金固相增材,可用于增材制造相关领域的科学研究和实验教学工作。

侧向搅拌摩擦增材制造工艺优化与力学性能特征分析

为研究侧向搅拌摩擦增材制造工艺参数对增材区材料力学性能的影响,建立了响应面模型,对模型进行了回归分析,基于响应面法对工艺参数进行了优化,并通过方差分析验证了模型的可靠性。结果表明,在增材参数为旋转速度为982.81r·min^(-1),增材速度为36.147mm·min^(-1),下压量为2.428mm时增材区的最大抗拉强度为252.72MPa,断后伸长率为11.82%。根据工艺过程对最优工艺参数进行修正,随后进行5层侧向搅拌摩擦增材制造试验,并进行力学性能特征分析。结果表明,修正后最优工艺参数下增材区拉伸性能与母材性能相当,拉伸试件断裂方式为韧性断裂;后一层增材区硬度高于前一层增材区。

搅拌摩擦固相沉积增材制造研究现状

基于搅拌摩擦焊与增材制造技术开发的搅拌摩擦固相沉积增材制造为金属增材制造提供了一种独特的固相加工路线,其具有适用材料范围广、构件综合性能良好、效率高、成本低等优点,在航空航天、武器装备等领域金属及金属基复材结构件制备方面具有广阔的应用潜力。鉴于搅拌摩擦固相沉积增材制造的独特优势,本文首先对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术的基本原理、完全耦合的热变形过程以及沉积层宏观成形进行了简单介绍,之后对增材沉积层微观组织演变和力学性能进行了重点论述,大量研究表明搅拌摩擦固相沉积增材制造中独特固相成形可使增材构件产生类锻造态显微组织,该技术已被逐步应用于结构件制备、修复、涂层加工等领域中。最后对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术进行了展望,指出该技术未来需在仿真模拟、制造工艺、技术优化、质量监测、复杂构件制备等领域中进一步研究和突破。

主轴转速对搅拌摩擦增材2219铝合金显微组织及性能的影响

采用搅拌摩擦增材法(AFSD)制备2219铝合金零件,研究200、300和400 r/min三个不同的主轴转速对沉积态2219铝合金(2219-AFSD合金)的显微组织和力学性能的影响。结果表明:与合金母材(2219-T87合金)相比,2219-AFSD合金组织相对均匀,无明显组织缺陷;在摩擦热和塑性变形的作用下发生动态再结晶,2219-AFSD合金晶粒得到明显细化。沉积过程中温度越高,2219-AFSD合金晶粒尺寸越大,第二相回溶的驱动力越大,导致沉淀强化相重新溶解至基体、θ相尺寸减小及数量减少。2219-AFSD合金极限抗拉强度为265.6~312.5 MPa,约为母材的58%~68%;而2219-AFSD合金的伸长率优于母材,提高至母材的278%~294%。此外,晶粒尺寸和极限抗拉强度与主轴转速呈正相关,断裂伸长率与主轴转速呈负相关。

搅拌摩擦沉积增材2219铝合金组织及性能

在主轴转速250~350 r/min、横向移动速度50~150 mm/min工艺参数下进行2219-T87铝合金搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)实验,探究工艺参数与多层热循环对沉积层宏观成形、微观组织和力学性能的影响。结果表明:在主轴转速250 r/min,移动速度100 mm/min工艺参数下可获得成形良好的单道16层增材试样。增材区晶粒尺寸发生显著细化,在4~6μm之间,细小等轴晶组织取代沉积棒料粗大的无规则晶粒组织。增材试样发生剧烈的动态再结晶,整体再结晶晶粒在80%以上,试样底部(第1层)受到多次热循环影响,再结晶晶粒达到91.8%。增材区域织构基本由Cube、Copper、P和RtB四种再结晶织构以及S、T和Brass织构构成。增材试样的硬度和抗拉强度相比于沉积棒料都明显降低,其中,第16层沉积层硬度最大为80HV,约为沉积棒料母材的55.6%;第1~8层沉积层硬度均匀在60HV。增材区水平(longitudinal direction,LD)方向第9~16层和1~8层的平均抗拉强度分别为243.0 MPa和219.3 MPa,约为母材的60.0%和52.9%;平均伸长率为19.4%和24.5%,分别约为母材的181.1%和229.0%。增材试样LD方向断裂模式均为韧性断裂。

6061铝合金搅拌摩擦沉积增材修复工艺及修复区性能

为了探讨修复工艺及模拟凹槽缺陷尺寸对搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)修复区组织及性能影响规律,对5 mm厚AA6061-T6板进行AFSD修复工艺试验.结果表明,对于3 mm深度、6~24 mm不同宽度凹槽缺陷,采用主轴转速400 r/min、移动速度150~300 mm/min修复工艺均能实现沉积层与基板的有效冶金连接.当凹槽宽度小于送料棒直径时,可以获得完全致密无缺陷的修复区;修复区附近可划分为修复沉积区、热力影响区、热影响区及母材.沉积区完全由细小等轴晶组成,晶粒尺寸相当于基材晶粒尺寸的9.1%~12.8%;在沉积区内主要强化相β"相几乎全部溶解,平均硬度为母材硬度的71.6%.在400 r/min和300 mm/min工艺下,凹槽宽度12 mm修复态力学性能最佳,抗拉强度和断后伸长率分别为197.4 MPa和10.92%,试样均断裂于母材热影响区与热力影响区的交界处,具有韧性断裂模式.当凹槽宽度为24 mm大于送料棒直径时,在400 r/min和150 mm/min工艺下力学性能最佳,修复态抗拉强度和断后伸长率分别为178.9MPa和7.74%,此时产生于沉积层与基材结合界面的弱连接是影响修复性能关键因素.

6061铝合金搅拌摩擦增材堆焊工艺研究

采用搅拌摩擦增材制造技术进行A6061铝合金表面堆焊工艺试验。采用光学显微镜和扫描电镜观察堆焊层的晶粒组织形貌,分析工艺参数对堆焊层形状尺寸和晶粒尺寸的影响,并进行拉伸性能测试。结果表明:在其他工艺参数不变的情况下,金属棒料的旋转速度为338 r/min,送料速率为440 mm/min,刀具底部与金属底板表面的间隙为2.8 mm时,热塑变材料在长度方向的堆焊铺展效率最高;堆焊层的晶粒尺寸随着送料速率逐渐增加,表现为先显著减小而后逐渐趋缓;堆焊层的晶粒尺寸随着金属棒料旋转速度增加而增加;堆焊层各区域中的晶粒尺寸大小排列顺序为:中心>上方>下方;堆焊层材料的抗拉强度和屈服强度均略高于锻件材料,两者的延伸率则基本相当,堆焊层拉伸断口为典型延性断裂形貌。

搅拌摩擦增材制造方法研究进展

通过文献研究,将目前现有的搅拌摩擦增材技术分为两个大类:基于搅拌摩擦搭接焊的以板材为原材料的“搅拌摩擦搭接增材(FSAM)”与以棒材或丝材为原材料的“搅拌摩擦沉积增材(AFSD)”。重点综述了迄今已公开报道的三种方法:采用“实心轴肩+板材”的搅拌摩擦增材技术、“空心轴肩+棒材”的搅拌摩擦沉积增材技术、“空心轴肩+丝材”的搅拌摩擦沉积增材技术。其中后两种搅拌摩擦增材方法具有可连续增材的优越性,应用前景广阔。

搅拌摩擦增材制造技术研究进展

搅拌摩擦增材制造技术是一种全新的固相增材工艺,具有增材效率高、材料范围广、性能优、成本低等优点。搅拌摩擦增材制造方法主要分为板材叠加增材制造、搅拌摩擦沉积增材制造和损耗型摩擦堆焊增材制造。本文对搅拌摩擦增材制造技术的基本原理、沉积层微观组织演变和力学性能进行了论述,最后对搅拌摩擦增材制造技术的潜在应用进行了展望。

搅拌摩擦增材制造2024-T6铝合金增材区性能分析

用搅拌摩擦增材制造技术对2024-T6铝合金进行增材试验,观察增材区显微组织,结合显微硬度对增材区摩擦磨损性能进行分析,探索搅拌头行进速度对增材区性能的影响规律。结果表明:当搅拌头旋转速度为1000 r/min,行进速度为150~250 mm/min时,增材区成形良好,无明显缺陷;各参数下试样晶粒得到细化,增材区晶粒尺寸沿增材厚度方向逐渐减小,显微硬度沿增材厚度方向逐渐增大;随着搅拌头行进速度增大,试样显微硬度先增后减,同时摩擦磨损性能先变好后变差,当行进速度为200 mm/min时,显微硬度和摩擦磨损性能最佳。

搅拌摩擦增材制造6082-T6铝合金的耐腐蚀性能研究

通过FSAM技术成功获得了6082-T6铝合金增材块,并对其耐腐蚀性能开展研究。结果表明:通过剥落腐蚀评级与静态失重法均说明增材体的耐腐蚀性能优于母材;动电位极化曲线与浸泡腐蚀试验也说明增材体较于母材,其腐蚀倾向与腐蚀速率较低,沿增材高度方向自下而上,腐蚀倾向与腐蚀速率呈逐渐降低趋势;6082-T6铝合金经过FSAM后,其粗大带状晶粒转变为细小等轴晶粒,强化相(Mg_(2)Si相)数量减少且分布均匀,二者是导致增材体耐腐蚀性能高于母材的主要原因。

2219-T8铝合金搅拌摩擦沉积增材初始进料阶段数值模拟研究

研究了高强铝合金2219-T8在搅拌摩擦沉积过程中初始进料阶段的温度、应变和塑性流动,并深入探讨了主轴转速和进料速度对材料流动性的影响规律。采用Arrhenius材料定律建立了三维有限元热力学模型。实验结果表明,在不同的工艺参数下,同一区域的沉积时间存在差异。在当前工艺参数设定下,主轴转速为350 r/min,进料速度为0.2 mm/s时,沉积速度最快,增材效率最高;随着主轴转速的增加,进料杆的升温速率增大,材料发生塑性变形的最高温度增加,应变速率也增大;随着进料速度的增加,材料流动性减弱,填补中空旋转工具与基板之间的间隙所需时间增加。

基于搅拌摩擦的金属固相增材制造研究进展

基于搅拌摩擦的固相增材制造是大型轻质合金构件成形制造的新技术,已成为国内外先进成形制造领域研究的热点之一。本文对目前国内外基于搅拌摩擦的金属固相增材制造技术及其相关工艺机理的研究现状进行了分析和总结。常见的基于搅拌摩擦的固相增材制造技术可分为三类:基于搅拌摩擦搭接焊原理,使板材逐层堆积,从而获得增材构件的搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing,FSAM)技术;采用中空搅拌头,通过添加剂(粉末或丝材)进行固相搅拌摩擦沉积的增材制造(additive friction stir deposition,AFSD)技术;采用消耗型棒材,通过棒材的摩擦表面处理,形成增材层的摩擦表面沉积增材制造(friction surfacing deposition additive manufacturing,FSD-AM)技术。重点分析了金属材料基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的国内外研究与应用现状,对比了三类基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的特征及其工艺优缺点。最后指出增材工艺机理、形性协同控制、外场辅助工艺改型、新材料应用和人工智能优化是基于搅拌摩擦的固相增材制造技术未来研究的重点方向。

搅拌摩擦沉积增材技术研究进展

搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)技术是一种新兴固相增材制造技术,采用金属棒材、粉材、丝材为增材材料,增材过程中依靠增材材料与板材摩擦产生摩擦热以及材料剧烈变形产生的塑性变形热形成黏塑性沉积层,沉积层逐层堆积形成三维实体结构件;基于其固相特征,具有熔覆增材技术不可比拟的优势,目前已成为增材制造领域的研究热点。本文从设备研制、微观组织演变、材料流动特性、力学性能变化四个方面综述了AFSD技术最新国内外研究进展;分析了该技术应用于工程实际的可行性,展望了在增材制造、材料修复、零件加固、制造金属涂层领域的应用前景;最后指出了产热机制、材料流动特性、辅助优化工艺、智能化设备研制等为未来的研究方向。

2195铝锂合金搅拌摩擦增材制造成形与性能研究

搅拌摩擦增材制造作为一种新型固相增材制造技术,能够有效避免高强铝锂合金元素烧损的同时获得高性能增材构件。本文提出自限位搅拌摩擦增材制造方法,以铝锂合金带材为原料制备多层增材结构件。结果表明,搅拌摩擦增材区内材料流动充分,层间冶金结合良好。增材层晶粒尺寸和沉淀相分布主要受热–机械效应影响,搅拌道次越少的区域,热机效应小,沉淀相越多,硬度越高。单层增材厚度1 mm,增材速率达200 mm/min,增材区硬度最高为126.8HV,达到2195–T8铝锂合金的79.3%。同时,由于部分Cu元素固溶于增材区,搅拌摩擦固相增材区的耐腐蚀性能优于母材。

2195铝合金叠层搅拌摩擦增材制造数值模拟研究

高强铝合金兼具轻质和高强等诸多优点,在航空航天制造领域的应用也越来越广泛,而叠层搅拌摩擦增材制造技术(friction stir additive manufacturing,FSAM)为其一体化制造成形提供了潜在的应用前景,同时进一步提升高强铝合金复杂构件的服役性能。本文采用数值模拟的研究方法,基于耦合欧拉-拉格朗日算法,建立了2195铝合金FSAM过程的三维有限元热力耦合计算模型,分析了FSAM过程中增材构件温度场、流场以及应变场的分布规律,旨在为研究FSAM构件的成形特征及材料流变行为提供理论基础,为改善高强铝合金FSAM构件的成形质量提供指导。

工艺参数对侧向搅拌摩擦增材成型的影响

对铝合金单层侧向搅拌摩擦增材制造进行了研究,分析了工艺参数对侧向搅拌摩擦增材表面成形和内部宏观形貌的影响。结果表明,增材后基板区晶粒受热输入影响发生长大,增材区和结合区晶粒得到细化。增材速度过慢会因"二次增材"在增材表面形成波纹。下压量一定时,可以通过提高旋转速度和降低增材速度增加热输入,以提高材料软化程度来减弱毛刺现象,提高增材表面平整度,同时,增材区域内部钩尖尺寸也因垂直方向的塑性流动加强而减小。下压量过小时,热输入不足,材料软化程度和垂直方向的塑性流动不足,不利于减弱表面毛刺现象和减小内部钩尖尺寸;下压量过大会抑制材料垂直方向的塑性流动,钩尖尺寸变大。

搅拌摩擦增材制造的微观结构-力学性能一体化数值模拟

搅拌摩擦增材制造技术是在搅拌摩擦焊接的基础上发展起来的一种新型固态增材制造技术。针对搅拌摩擦增材制造技术中的重新搅拌和重新加热问题,采用试验和数据方法进行分析,通过Monte Carlo模型计算微观结构演化,通过析出相演化模型计算析出相分布,并进一步计算不同增材层之间的硬度分布,通过与试验测量数据的比较验证了模型的正确性。结果显示,不同增材层之间的晶粒大小和形貌由于重搅拌和重加热的作用而存在差异,同时,温度曲线的变化使粒子数和平均半径发生变化,进而导致力学性能出现差异。在试验验证的基础上,通过数值模拟解释了差异产生的具体机理。

Ti-6Al-4V在搅拌摩擦增材中晶粒生长的数值模拟

搅拌摩擦增材制造(FSAM)是近几年新兴的一种制造方法,优点在于工件生产后的较好的力学性能。搅拌摩擦增材制造按照增材方向和焊缝位置不同分为纵向增材和横向增材。本文基于Abaqus生死单元法和移动热源法建立两种搅拌摩擦增材制造有限元模型,研究两种不同方式增材的温度分布。利用蒙特卡洛法研究钛合金在搅拌摩擦增材制造中微观结构演变。研究表明,搅拌区晶粒在降温及后续增材层累加的时候进行粗化,并在一定温度区间内进行由β相到α相的转变。α相由β相边界析出并以针状晶的形式向β相晶粒内部生长,研究结果与文献中晶粒分布规律相符,验证了模型用于Ti-6Al-4V搅拌摩擦增材制造中微观结构演变的可行性。

工艺参数对铝合金搅拌摩擦增材制造成形的影响

采用4mm厚的5A03-H铝合金板材作为基材,利用无倾角成形工具,进行搅拌摩擦增材制造工艺实验,研究工艺参数对增材区成形的影响。结果表明:随着行进速度提高,单道增材宽度、界面迁移高度和迁移宽度值均减小。当行进速度为60mm/min时,界面迁移量较小,单道增材宽度较大。增材间距大时,会有两道次间的未结合界面和迁移界面缺陷;随间距减小,未结合界面逐渐转变成迁移界面;当间距达到某个值时,迁移界面消失。为了得到成形良好的增材区,必须优化增材加工的间距。逆向增材与同向增材相比,能有效地抑制并消除向增材区中心迁移的界面,因此可获得较大的有效增材宽度。