电弧熔积-热轧复合成形件微观组织和性能研究

电弧成形金属件的组织形态直接影响其服役性能,对组织形态的控制是面向性能的直接制造中的重要一环。本文运用热轧辅助作用于直接成形过程,试验研究了热轧对堆焊件组织和性能的影响。分别在自由熔积和熔积-热轧的条件下,使用CHW-50C6低合金焊丝进行堆焊直接成形。对试样进行了显微硬度测试、金相组织分析、拉伸试验。试验数据对比结果显示:热轧促进树枝晶向等轴晶的转变、促成气孔排出、减少缺陷并促进晶粒细化,堆焊件的微观组织均得到改善,硬度和拉伸性能也得到了较大提高。

电弧喷涂快速成形技术研究现状

电弧喷涂成形是新近发展起来的一项重要金属快速成形技术。对比分析电弧喷涂快速成形技术与近终喷射成形和等离子喷涂成形技术之间的差异与特点,综述电弧喷涂在模具快速制造领域的研究应用现状,并讨论了电弧喷涂成形材料,以及喷涂成形雾化与沉积工艺过程中的传热传质、残余应力和氧化行为等关键性问题。最后,展望了电弧喷涂厚成形技术的重点研究方向与解决途径。

电弧增材成形中熔积层表面形貌对电弧形态影响的仿真

电弧增材成形常采用单道多层或多道搭接的熔积方式,不同的熔积方式下对应的熔积层表面形貌不同,从而影响电弧的形态及其传热传质过程.本文建立了纯氩保护电弧增材成形的电弧磁流体动力学三维数值模型,以及不同表面形貌的熔积层模型,并在保持阳极与阴极之间距离和熔积电流不变的条件下,通过模拟计算获得增材成形特有的单道和多道搭接熔积条件下的不同表面形貌对应的电弧形态以及相应的温度场、流场、电流密度、电磁力、电弧压力分布.数值模拟结果表明:平面基板上起弧情况下电弧中心具有较高的温度、速度、电流密度以及压强;单道多层熔积情况下熔积层数对电弧的各个参量影响较小;多道搭接熔积情况下电弧呈非对称分布,电弧中心温度较前两者低,电流密度、电磁力和电弧压强的分布偏向熔积层一侧.

金属薄板等离子电弧加热弯曲成形实验

为了研究金属薄板等离子电弧加热弯曲成形的规律及机理,采用等离子电弧沿直线来回对1Cr18Ni9Ti和Q235薄板进行加热弯曲成形实验.结果表明,随着等离子电弧在薄板上扫描次数的增加,其弯曲角度近似呈线性增大;在一定范围内热输入越大(如减小扫描速度、减小电弧长度、增加电弧电流等),板材厚度越小,薄板的弯曲角度越大;在较低的热输入下等离子电弧加热弯曲成形使晶粒细化,有利于改善薄板受热区域显微组织的机械性能;成形过程中存在残余应变强化,受热区域硬度提高;等离子电弧加热弯曲成形还可以降低机械加工引起的残余应力,有效减少回弹.

基板厚度对电弧熔积成形应力场及基板翘曲变形的影响

使用ANSYS有限元软件模拟研究了不同厚度基板下电弧熔积成形过程中的温度场、应力分布和基板的残余翘曲变形。计算结果表明:随着基板厚度的增加,成形件第一主应力的大应力区域面积逐渐缩小,成形件纵向残余应力最大值略有波动但相对稳定,基板翘曲变形减小,基板厚度对成形件变形和精度的影响也越来越小。模拟结果与试验测量结果具有良好的一致性,研究结论对电弧熔积增材成形工艺合理选择基板厚度具有理论和实际的指导意义。

镁合金电弧熔丝增材成形质量控制研究

针对镁合金CMT电弧增材制造表面成形质量控制难题,开展了AZ31镁合金电弧熔丝增材制造的沉积行为、成形特性研究,以及单道多层增材构件表面质量控制试验。结果表明:镁合金电弧增材制造的工艺参数优选范围较大,电流为120~160 A、沉积速度为10~12 mm/s时,沉积层宽度均匀一致,宽高比和接触角也较大;采用CMT工艺制备的镁合金单道多层增材试样力学性能无明显各向异性,抗拉强度为243 MPa,屈服强度为109 MPa,断后伸长率在23%左右,显微硬度平均值为57 HV。

超音速电弧喷射成形工艺参数对AgNiCu15-5沉积坯致密性的影响

采用正交设计方法和通过极差分析研究了超音速电弧喷射成形工艺参数对AgNiCu15-5沉积坯致密性的影响,同时采用SEM对沉积坯的组织形貌进行观察。研究结果表明,当沉积距离L为250 mm时,影响沉积坯致密性的工艺参数的主次顺序为:电弧电压U、雾化气压P、电弧电流I、沉积盘转速Z;综合分析表明,优化的沉积工艺参数为U2P2I3Z2,即U为32 V、P为0.9 MPa、I为220 A、Z为800 r/min。SEM分析表明,优化工艺参数制备的沉积坯内部组织致密,孔隙极少。

筒形件电弧增材成形的残余应力模拟分析

基于ANSYS建立了三维有限元模型,采用APDL函数控制单元沿设定轨迹的生死,研究了3种环形路径和2种基板对残余应力的影响,比较分析了不同条件下残余应力及其分布规律。结果表明:同向路径的应力水平最低,加槽基板能够有效地降低残余应力,底部第一主应力平均减少29.86%。基板变形试验与模拟结果吻合,证明了模型的正确性。

超音速电弧喷射成形技术及其在贵金属领域中应用的展望

简述了国内外喷射成形技术的发展历程、特点和现状,着重讨论了超音速电弧喷射成形技术的原理、特点及应用,对比阐述了超音速电弧喷射成形技术的独特优点。针对目前国内外贵金属材料的应用领域、使用特点及制备方法,讨论了超音速电弧喷射成形技术在贵金属材料领域内应用的可行性。提出利用超音速电弧喷射成形技术制备贵金属基快冷材料是一种切实可行的途径,具有广阔的发展前景。

等离子电弧加热弯曲精确成形试验

为了实现等离子电弧加热的精确弯曲成形,采用等离子电弧沿直线对1Cr18Ni9Ti不锈钢板材进行加热弯曲成形试验,并用CMOS1303uc数字相机等硬件和相关软件在等离子电弧加热弯曲成形的过程中对弯曲角度进行实时检测,实现了对成形过程的闭环控制。试验结果表明:当扫描次数较少时,板材弯曲角度随扫描次数增加近似呈线性增大;当扫描次数较多时,由于增厚效应的影响,单次扫描弯曲角度的增量会不断减小,弯曲效率明显降低。为了确保加工过程的可靠性并提高成形效率,根据加工余量的不同将成形过程分为粗、中、精三个加工阶段,各个阶段分别采用不同的工艺参数进行加工,通过弯曲角度分别为20°和30°的不锈钢薄板的成形试验验证了该方法的有效性。

薄板的各向异性对等离子电弧弯曲成形过程的影响

为了研究各向异性的金属薄板对等离子电弧加热弯曲成形的影响规律,采用等离子电弧以直线分别沿1Cr18Ni9Ti薄板轧制方向(RD)和垂直于轧制的方向(TD)进行加热弯曲成形试验。结果表明随着电弧扫描速度的降低,电弧功率增大以及扫描次数的增加,薄板塑性变形的各向异性影响减弱;反之则增强。该研究对薄板等离子电弧加热弯曲成形的实际应用有重要意义。

超音速电弧喷射成形工艺参数对AgFe5材料性能影响

应用超音速电弧喷射成形技术制备了性能优异的AgFe5块状材料。分析了超音速电弧喷射成形的喷射送丝电流、沉积基板的转速对材料物理、力学和电学性能的影响,并从微观机理方面阐述了工艺参数对超音速电弧喷射成形材料性能的作用规律。在最佳工艺参数下制备的AgFe5材料的密度为9.995g/cm3,达到理论密度的96.88%。指出对任意A、B两组元合金的超音速电弧喷射成形丝材端部熔滴温度为:Tk=4·(U·IK)/π·d2·(cA·xA+cB·xB)·(xA·ρA+xB·ρB)

基于超声辅助的Q235镀锌钢板MIG焊电弧行为数值模拟

针对超声辅助熔化极惰性气体保护焊(U-MIG)电弧行为,建立了二维瞬态数值模型,利用流体力学与电磁学理论,模拟了2种焊接工艺电弧等离子体的温度场、电流密度和电弧形貌等结果,并与普通MIG焊电弧进行对比。结果表明:超声的添加使焊接电弧成形过程发生了明显变化。相同焊接参数下,U-MIG焊电弧高温区面积增大,温度峰值上升;电弧区域内电流密度增大,电弧更加密集,能量更加集中,同时电弧压力增大;电弧中粒子电离度增加,粒子能量增加,提升了U-MIG焊接质量。模拟的电弧形貌与实验结果相吻合,验证了模拟的准确性。

纵向稳态磁场对电弧增材成形零件表面质量和性能影响的研究

外加磁场作用是影响电弧增材成形过程与成形零件性能的有效方式之一。为了研究外加纵向稳态磁场对低碳钢电弧增材成形零件表面质量和力学性能的影响,搭建基于GMAW的纵向稳态磁场辅助电弧增材成形装置,采用形貌分析、金相观测、性能测试的方法对比分析有/无外加磁场作用下成形试样表面质量、微观组织及力学性能差异。结果表明:相比普通熔积,外加磁场作用下,单焊道宽高比增大,形成宽而平的焊道横截面形貌,从而有效地改善搭接精度并提高熔积层表面质量,电磁搅拌作用还能够细化晶粒,减少熔积缺陷以及多道搭接区域的晶粒分布的不均匀性。此外,外加磁场作用还改变了铁素体和珠光体的占比和分布形态。力学性能测试显示,磁场作用使得成形样件在熔积方向和搭接方向的力学性能有一定的提升,力学性能的各向异性减小。

薄板几何尺寸对等离子电弧加热弯曲成形的影响

主要研究等离子电弧加热弯曲成形过程中薄板的厚度、长度、宽度以及薄板扫描线距自由端的距离等对等离子电弧弯曲成形的影响。

外加横向磁场作用电弧增材成形过程中的传热传质仿真

为了揭示外加横向磁场对电弧增材成形过程中电弧和熔池传热传质以及成形件微观组织影响的内在机理,建立基于GMAW电弧增材成形过程中电弧和熔池的弱耦合数值模型,通过数值模拟对比分析了有/无外加横向磁场作用下熔池电磁力分布、电弧和熔池传热传质的差异,发现横向磁场作用使电弧向熔池后方偏转,使熔池发生单向强制对流并驱动熔融金属和热量向熔池后方运动,从而更加直接地冲刷熔池结晶面。由此预测横向磁场作用能降低熔池凝固过程中枝晶前沿温度梯度和溶质浓度,提高枝晶前沿的成分过冷,使得靠近熔池中心的枝晶前端生长加速并细化晶粒。相同工艺条件的对比试验表明:相比无外加磁场的普通熔积,横向磁场作用下熔池底部等轴晶区域减小,整个结晶面上细密的胞状枝晶区域面积增大,验证了数值模拟的预测。研究结果可为外加磁场在电弧增材成形微观组织控制中的应用提供依据和参考。

电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。

等离子电弧加热成形过程中薄板宽度的影响规律

当板厚、板长一定时采用不同宽度的1Cr18Ni9Ti薄板进行等离子电弧弯曲成形的试验,试验发现:随着薄板宽度的增长,薄板弯曲角度增大,当板宽的增大到一定值时,薄板弯曲角度趋于定值。随后在实验基础上,对等离子电弧加热过程中热影响区的弹塑性变形进行合理的简化,建立了薄板弯曲角度随薄板宽度变化的受力模型,该模型的计算结果与实验结果相符。

层层正交路径MIG堆焊316L不锈钢的组织和力学性能

采用层层正交路径进行了316L不锈钢块体试样的MIG堆焊快速成形,研究了堆焊试样的组织和力学性能。组织观察显示,随堆焊高度的增加,堆焊层中晶粒组织逐渐变得粗大,且铁素体数量增加。显微硬度分析表明,随堆焊层数的增加,堆焊部分的显微硬度呈先增后减的变化趋势。室温拉伸结果显示,堆焊成形试样的拉伸性能达到锻件标准,且沿垂直于焊接方向试样的抗拉强度和伸长率均优于沿着焊接方向。