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。

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。

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。

化学成分对Al-Mg-Si系铝合金搅拌摩擦增材制造力学性能的影响

采用试验和数值模拟相结合的方法,研究了化学成分对铝合金搅拌摩擦增材制造力学性能的影响。利用Monte Carlo方法模拟了搅拌摩擦增材制造构件的晶粒演变,采用析出相演化模型计算了不同增材层的屈服强度和硬度,通过与试验对比验证了计算模型的有效性。结果显示,在搅拌摩擦增材制造中,不同增材层经历的重搅拌及重加热不同,其作用区域与搅拌针长度相关,且硬度及平均晶粒尺寸也存在一定的差异。通过改变增材方向上不同增材层中Mg和Si元素的化学成分,可以实现增材方向上力学性能的渐变控制。

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。

搅拌摩擦增材制造关键技术与装备发展

搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing,FSAM)是一种全新的固相增材技术,解决了材料熔化而产生气孔、裂纹等问题,大幅度提高增材制造零件的力学性能,提升制造组件的结构利用率,被认为是金属增材制造领域的重大突破.介绍了增材制造技术发展历史及特点,总结了固相增材技术优势,阐述了FSAM技术的基本概念、成形原理、发展趋势、组织微观结构演变行为以及力学性能;归纳了当前FSAM所采用的设备类型及其控制系统,重点分析了该技术未来发展应用所面临的挑战及机遇.

铝合金搅拌摩擦增材制造工艺参数对成型效果的影响

针对2A12-T4铝合金的搅拌摩擦增材制造进行工艺试验研究,单次增材厚度3 mm。探究搅拌头转速、行进速度、增材方向和增材间距等工艺参数对界面迁移量、有效焊核尺寸和有效增材宽度等增材成型效果的影响。结果表明,界面迁移量会随着搅拌头转速的提升呈增加趋势,随着行进速度的提升呈先减小后增加的趋势。有效焊核尺寸随行进速度增加而减小。逆向增材相对于同向增材更有效地控制界面迁移量的变化,获得更大的增材宽度。增材间距过大时,在增材区域中心形成较大的未结合缺陷,未结合缺陷会随着增材间距的减小而减小。

铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造技术

为解决固相增材制造过程送料不连续及层间界面弱连接的难题,提出了连续进给搅拌摩擦增材制造的方法,设计了一个带孔的储料腔和一个可对丝材进行热塑化并连续挤压的螺杆拓扑结构搅拌头.结果表明,Al-Si合金丝材经由送丝孔进入储料腔,搅拌头连续热塑化并向下挤压材料,搅拌针在堆积层间的搅拌作用有效地提高了堆积层间的界面结合能力,成功实现了铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造成形并解决了层间界面弱连接的难题.单层增材制造堆积层厚度平均为1.2 mm,Al-Si合金增材制造成形件沿堆积方向的抗拉强度和断后伸长率分别为207.1 MPa±3.2 MPa和19.6%±5.3%,该技术为实现大型铝合金构件全固相增材制造提供了一种可行性方案.

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。

高强铝合金搅拌摩擦类增材制造研究进展

增材制造技术作为传统材料制备与加工方式的有效补充,有望满足先进制造领域对大尺寸、高性能构件短周期制备的新需求。基于能量束的熔化增材制造在使用商业高强铝合金制备大构件时难以避免凝固缺陷,导致所制备构件的材料力学性能下降。搅拌摩擦类增材制造技术避免了凝固缺陷,增材构件致密、组织均匀、晶粒细小、织构较弱,提升了增材构件材料的综合力学性能。本文对搅拌摩擦类增材制造技术在制备高强铝合金方面的研究与应用进展展开综述,分析了搅拌摩擦类增材制造技术面临的挑战及发展趋势,为相关领域的研究提供有益参考。

“电弧+搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢的组织和耐腐蚀性分析

为了实现铝/钢复合结构的灵活制造,提出了“电弧+搅拌摩擦”复合增材制造的新方法,即先利用旁路分流熔化极惰性气体保护焊在镀锌的Q235钢表面沉积一层薄的铝合金过渡层,再搅拌摩擦增材制造过渡层和6061铝合金.在电弧沉积过渡层过程中,镀锌层和旁路电弧促进了液滴在钢表面的润湿性和铺展性,获得了平整的表面成形,随后的搅拌摩擦增材制造过程消除了过渡层的气孔和裂纹缺陷,获得了表面成形良好且无缺陷的铝/钢复合结构.研究了不同焊丝成分(Al-Si,Al-Mg)对铝/钢复合结构的组织和耐腐蚀性能影响,结果表明,焊丝成分不会影响焊缝成形,但会影响界面金属间化合物层厚度,Al-Si焊丝的Si元素偏聚在铝/钢界面层附近,可以有效阻止Fe,Al元素的相互扩散,减少金属间化合物的产生.同时填充Al-Si焊丝的铝/钢结构耐腐蚀性好于填充Al-Mg焊丝,这是因为受到界面层金属间化合物的影响,金属间化合物会和基体发生电偶腐蚀,优先腐蚀铝基体,降低铝/钢复合结构耐腐蚀性能.创新点:(1)提出了一种“电弧+搅拌摩擦”复合增材制造铝/钢异种金属的新方法,解决了搅拌针和钢直接接触导致搅拌针受损的问题,同时通过搅拌摩擦增材使电弧堆焊过渡层产生的孔隙和裂纹等缺陷被消除.(2)相比于Al-Mg焊丝,Al-Si焊丝作为过渡层填充材料可以有减少金属间化合物,进而抑制组件电偶腐蚀.

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。

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。

工具形状及工艺过程对搅拌摩擦增材成形及缺陷的影响

采用2mm厚的2195-T8铝锂合金作为增材板条,利用5种不同形状的搅拌工具进行搅拌摩擦增材工艺实验。利用金相观察和硬度测试的分析方法,重点探讨搅拌工具形状与工艺过程对增材成形、界面缺陷及硬度分布的影响。结果表明:圆柱状和三角平面圆台状搅拌针下增材界面上下材料无明显混合,偏心圆柱状和三凹圆弧槽状搅拌针有利于增材界面上下材料混合及减小界面钩状缺陷;增材前进侧界面形成致密无缺陷冶金连接,而后退侧界面材料混合不充分,钩状缺陷易伸入焊核区,且弱连接缺陷起源于此。四层增材中,相邻两层焊接方向相反的增材工艺使除顶层增材外其他增材两侧钩状缺陷向焊核区外侧弯曲,弱连接缺陷得到改善;顶层增材后退侧钩状缺陷伸入焊核区。增材焊核区有明显软化现象,但不同增材工艺下焊核区硬度分布均匀,表明搅拌摩擦增材制造可获得性能均匀的增材;相比于单道焊接工艺,来回双道焊接工艺使单层增材焊核区进一步软化;四层增材中,越靠近顶部的增材,其焊核区平均硬度越大。

6061铝合金先进摩擦增材制造(AFAM)复合强化机理控性试验的研究

本文以工业常用铝合金6061为例首次介绍了先进摩擦增材制造(AFAM)概念、复合强化机制和拉伸试验结果。结果数据表明:AFAM细晶工艺基础上的热处理强化加变形强化可以接近或超过传统母材性能,具有深入技术研究和工程应用价值。

搅拌摩擦沉积增材技术研究现状

作为一种新兴固相增材制造技术,搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)因其能够形成类似锻造微观结构而引起学者们广泛研究。目前,研究成果多集中于工艺机理、工艺特征和应用等方面。在工艺机理方面,AFSD工艺过程中过渡区与沉积区的材料流动机制、热量的产生与传递机制、微观结构演变机制和工艺参数-材料流动-热场演变相互作用机制等得到揭示。在工艺特征方面,研究发现AFSD具有固相、近净成型和界面混合等宏观特征,细化和等轴微观特征,这些特征深刻影响AFSD试件在硬度、拉伸等力学性能方面的表现。在应用方面,AFSD适用金属材料在不断拓展,在增材制造、涂层和复合材料制造、修复等领域表现出广泛潜力。综合工艺机理、工艺特征和应用等方面的研究进展,可知对AFSD的探索仍处于初级阶段,其高效率、高质量和低能耗的增材特性赋予其巨大的发展潜力。

搅拌对沉积态2024铝合金组织与性能演变的影响

利用搅拌摩擦技术,制备了不同工艺复合修复的激光熔化沉积2024铝合金,并且对这种复合工艺下制备的铝合金样品的显微组织和力学性能进行了研究。采用了直径为10 mm的搅拌头,搅拌摩擦工艺的旋转速度和进给速度分别为800 r/min和50 mm/min。利用光学显微镜和维氏硬度计研究了复合制造2024铝合金的显微组织和力学性能。结果表明:与激光熔化沉积相比,经过80%搭接率搅拌的2024铝合金的显微组织得到了细化,呈现梯度分布;时效处理后,基板区的硬度为135~140 HV,得到了显著提高,且经过搅拌后二次沉积的变形区域硬度可达到160 HV,同时随着沉积次数的增加,硬度出现梯度分布。