电弧熔丝增材制造控形技术研究现状与展望

金属增材制造是制造强国战略下推动我国高端装备制造业转型升级的重点发展方向。电弧增材制造以其高沉积效率、低成本、可进行复杂结构直接成形等优势受到了广泛的关注。但增材过程中涉及的物理过程复杂,成形质量与精度面临很大挑战。针对电弧增材制造技术短流程、长周期的制造特征,讨论如何从热源上降低成形偏差、从过程上降低制造误差、从结果上改善成形精度,介绍了一系列创新的热源调制、过程控制与结果优化的方法策略,总结了现有技术存在的问题与面临的挑战,为如何进一步提升电弧增材过程的成形控制效果提出了几点思考。

电弧增材制造焊丝熔化及熔滴过渡过程建模与仿真研究

基于动网格和多物理场耦合技术,建立了焊丝熔化和熔滴过渡的热流耦合数学模型。研究了焊丝熔化形成熔滴、熔滴与基板的接触和铺展、熔融金属桥形成和拉断过程。分析了熔滴在送丝过程中的温度变化、熔滴和熔池的速度变化、熔滴传质过程中的体积变化。结果表明,熔滴尺寸、形状与实验结果可较好吻合,最终转移至基板表面熔融铝的体积约占熔滴总体积的80%。

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。

熔滴复合电弧增材制造2219铝合金组织与性能

为了提高铝合金电弧增材制造的质量和效率,采用新型的电弧增材制造工艺——熔滴复合电弧增材制造(DAAM)技术来制造铝合金样品.采用全新的熔滴生成系统(DGS)代替传统的送丝系统,使得材料的添加与电弧能量相互独立.成形的材料为2219铝合金,通过熔滴系统添加了微量Mg元素.利用熔滴复合电弧增材制造设备沉积了薄壁结构,沉积速率较传统电弧增材制造技术大幅提升(约为160 mm^(3)/s).观察和分析薄壁结构截面的微观组织表明,薄壁结构的晶粒形态以柱状晶为主,呈现层内柱状晶和层间等轴晶的周期性分布规律.经过T6热处理后,试样水平和垂直方向的平均抗拉强度分别为455.4和417.0 MPa,屈服强度分别为342.4和316.4 MPa.较之前的研究结果对比表明,Mg元素的添加提升了2219铝合金的屈服强度,但导致延伸率降低.

纳米改性Al-Zn-Mg-Cu合金电弧熔丝增材成形工艺及组织和性能

采用电弧熔丝增材制造技术(WAAM)对纳米改性Al-Zn-Mg-Cu合金进行成形试验,分析了焊接电流、焊接速度、沉积路径、层间等待时间对成形性能的影响.结果表明,在焊接电流190 A、焊接速度350 mm/min、往复沉积、层间等待时间为90 s时合金具有良好的成形性能.对制备的直壁墙体进行了沉积后热处理,对不同状态合金的组织和性能进行了研究.沉积态及热处理态合金显微组织均具有优异的各向同性,由细小的、无明显取向的等轴晶组成.T6处理显著提高了沉积态合金的硬度及力学性能,T6处理后平均硬度为178.3 HV,较沉积态提升61%,沿横向抗拉强度(Rm)、屈服强度(R_(eL))与断后伸长率(A)分别为469.7(±5.1)MPa,366.3(±1.4)MPa与6.4(±0.4)%,沿纵向抗拉强度(Rm)、屈服强度(R_(eL))与断后伸长率(A)分别为454.3(±18.8)MPa,364.7(±16.7)MPa与5.9(±0.5)%,具有良好的力学性能各向同性.

镍夹层添加对激光熔丝增材制造钛/钢金属复合材料界面组织与性能影响研究

针对钛/钢复合材料增材制造过程中易形成脆性Ti-Fe金属间化合物、恶化界面性能的问题。选择镍(ERNi-1)作为夹层,采用激光熔丝增材制造技术实现了TC4/309L复合材料的一体化制备。重点分析了Ni夹层添加对于界面组织与性能的影响,结果表明:添加Ni夹层的钛/钢复合材料的界面主要由Fe/Ni界面和Ti/Ni界面组成。其中,对于Fe/Ni界面Fe和Ni形成了无限固溶体,且未发现明显的裂纹和气孔等缺陷,实现了良好的冶金结合;在Ti/Ni界面中含有TiFe、TiNi_(3)、TiNi、Ti_(2)Ni等多种脆性金属间化合物,界面最大硬度达到670.1 HV。界面结合强度的微区拉伸试验显示,其结合强度为30.5 MPa,断裂于Ti/Ni界面位置,呈脆性断裂特征。

丝粉协同电弧增材制造机械刀具耐磨层组织及性能

机械刀具在农用机械、轨道交通等领域中应用广泛。基于热源和耐磨层增强相体积分数要求,建立了丝粉协同电弧增材制造系统,制备了不同送粉气体流量下的碳化钨增强铁基耐磨层,采用金相显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和能谱仪分析耐磨层组织及成分。结果表明:送粉气体流量为8L/min时,增强相体积分数为60%,耐磨层由α-Fe基体、WC和W_(2)C颗粒以及Fe_(3)W_(3)C析出相组成,耐磨层基体显微硬度≥1000HV,增强相最高显微硬度为2385HV,具有优良的耐磨性。

金属材料电弧熔丝增材制造研究现状与质量改进方法

电弧熔丝增材制造(WAAM)是一种增材制造技术,近年来在工业上有很大的发展潜力。总结目前WAAM的研究现状和面临的挑战,并提出质量改进的方法。综述WAAM在表面质量、成形精度、显微组织、力学性能、残余应力和变形、孔隙及其他缺陷等方面的研究现状。从前处理、在线处理和后处理3个方面总结消除缺陷、改善显微组织和提高力学性能的方法。WAAM的广泛应用仍然存在许多挑战,可能需要从多个角度出发来实现WAAM的工业化应用。路径规划和切片算法的开发、在线监测系统与现有WAAM设备的结合、后处理技术的复合等将是未来的重点研究方向。

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。

铝合金电弧熔丝增材制造的冶金缺陷研究现状与展望

电弧熔丝增材制造(WAAM)已成为装备制造领域的重要发展方向之一,通过电弧加热熔化金属丝材,可在预设路径上逐层叠加堆积完成三维实体金属构件的增材制造成形,具有效率高且成本低的优点,尤其适合大尺寸铝合金构件的一体化增材制造成形。但由于铝合金固有的冶金行为特征,电弧熔丝增材制造中易出现冶金缺陷,如气孔、裂纹等问题,较大程度限制了产品力学性能的进一步提升,也严重制约了铝合金电弧熔丝增材制造技术的高效高质量发展。本文主要综述了电弧熔丝增材制造铝合金的气孔、裂纹等冶金缺陷问题,总结了缺陷形成机理、影响因素和抑制措施等方面的研究进展,并对铝合金电弧熔丝增材制造技术的未来发展方向进行了展望。

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。

基于BP神经网络的电弧熔丝增材制造数据库系统

通过对电弧熔丝增材制造(Wire and arc additive manufacturing, WAAM)单道焊缝试验数据的分类整理,分析用户需求和使用需要,基于python编程语言下的Django框架,采用B/S架构开发了一个电弧熔丝增材制造数据库系统。试验结果表明,该系统采用数据库与算法预测模型结合的方式开发而成,主要设置了用户权限管理、基本打印数据和焊缝形貌预测三大模块,具有存储扩展打印试验数据功能和预测未知工艺参数下焊缝形貌的功能。不同的打印工艺方法引入不同的BP神经网络结构,使用时数据库系统自动读取库内已有的算法模型或根据已有的试验数据训练新的模型,之后录入试验数据会自动对模型重新训练,实现随数据库内试验数据扩展或修正自动适应的参数预测,能够预测未知工艺参数下的焊缝形貌尺寸。最后,基于MIG工艺设计了1组验证试验对数据库的预测功能效果进行检验,熔宽预测误差为1.3%,余高预测误差为1.5%,说明了数据库系统预测功能的可行性。

超声冲击对电弧熔丝增材制造低碳钢组织的影响

电弧熔丝增材制造低碳高强钢过程中产生的组织粗大和各向异性等问题一定程度上限制了该技术的应用和发展。在电弧熔丝增材制造过程中引入层间超声冲击处理,以改善制件的组织状态和各向异性,采用光学显微镜和扫描电子显微镜等手段对超声冲击前、后的组织状态进行了对比。结果表明,经过超声冲击处理后,具有明显方向性的典型柱状晶组织转变为均匀、细小的等轴晶组织;电子背散射衍射结果表明,超声冲击强化可改善组织的方向性并大幅细化晶粒。这是因为超声可以打破组织内部对位错运动的限制,促进位错合并和湮灭,进而形成大量亚结构,并在后续沉积层的热效应作用下发生部分再结晶。这种转变会阻碍柱状组织的生长,并将柱状组织分成具有小纵横比的胞状或等轴状组织。

热处理对电弧熔丝增材制造核电用铁素体/马氏体钢微观组织与力学性能的影响

采用电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)技术制备了低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM钢),通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等观察微观组织变化,通过拉伸试验进行力学性能测试,研究了热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响.结果表明,打印态的RAFM钢微观组织为铁素体+回火马氏体的双相组织,平均晶粒尺寸约为1.51μm.经过热处理,RAFM钢的晶粒尺寸没有明显增长(1.84μm),并在微观组织中保留了高密度位错.此外,热处理后高数密度TiO2二次相纳米颗粒在基体中析出,并弥散分布在基体中,其尺寸在5~10 nm.热处理后的RAFM钢抗拉强度显著提高,断后伸长率略微下降,其室温抗拉强度为1080 MPa,在650℃下测试的抗拉强度仍可达285 MPa.创新点:(1)系统研究热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢的相组成、晶粒尺寸、析出相的影响.(2)阐明热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢力学性能的强化机制.

航空装备电弧熔丝增材制造技术发展及路线规划图

电弧熔丝增材制造技术(wire arc additive manufacturing,WAAM)是一种高沉积效率的增材制造技术,采用逐层堆积的方式制备多种高性能的金属结构件,针对航空装备的大型、中等复杂的铝合金、钛合金WAAM成形技术的研究获得广泛关注。本文对WAAM技术定义、技术分类、成形系统及原理进行论述,综述了近年来国内外航空航天领域WAAM成形铝合金、钛合金的组织特性、冶金缺陷及质量改善、典型构件技术应用等方面的研究进展,分析了目前航空装备的大型、中等复杂构件WAAM成形技术所面临的关键共性问题,并提出了2035年WAAM成形技术路线规划图。

电磁辅助电弧熔丝增材制造GH4169合金的组织和疲劳性能

采用电磁辅助TIG电弧熔丝增材制造在1Cr18Ni9Ti不锈钢基板上制备了GH4169合金,分析了GH4169合金的凝固组织,研究了励磁电流对GH4169合金室温疲劳性能的影响。结果表明,电磁辅助电弧熔丝增材制造GH4169合金组织致密,无明显气孔、裂纹等缺陷。成形试样的宏观组织由沿沉积方向自下而上外延生长的粗大柱状晶组成,在施加外部磁场后,柱状晶尺寸减小,当励磁电流为1 A时,枝晶间脆性Laves相含量最少,元素的显微偏析现象减弱;随励磁电流的增大,成形试样的室温疲劳性能呈现先增大后减小的趋势,当励磁电流为1 A时,其疲劳寿命达到1.1×10^(6),成形试样的室温疲劳性能最佳。

电弧熔丝增材制造船用低合金高强钢组织与性能研究

采用电弧熔丝增材制造技术,填充自制的船用低合金高强度钢丝材,制备了多道多层的钢墙体,并对其沉积态和退火态试样的组织与力学性能进行了研究。结果表明,采用电弧熔丝增材制造技术制备的低合金高强度钢墙体成形质量良好,层间实现了有效的冶金结合。沉积态试样的微观组织主要由粒状贝氏体和不规则的多边形铁素体组成,具有较高的强度、塑性和低温冲击韧性。经过400℃和600℃退火热处理后,马氏体-奥氏体组元不断发生分解,形成铁素体和许多细小的碳化物,使粒状贝氏体的数量减少,铁素体的数量增加,导致强度降低,塑性和低温韧性提高。

层间强制冷却对电弧熔丝增材制造钛合金温度场和应力场的影响

电弧熔丝增材制造中热量积累容易造成零部件成形质量差、沉积效率低等问题。层间强制冷却有利于提高电弧熔丝增材制造效率、改善成形质量,从而获得了一定关注。基于有限元数值模拟分析,模拟了自然对流冷却和层间强制冷却下电弧熔丝增材制造Ti6Al4V钛合金成形过程,分析了层间强制冷却对增材钛合金墙体结构温度场与应力场的影响,并通过实验结果进行了验证。结果表明:层间强制冷却可以有效增加成形过程中的散热,减小墙体结构热量积累、进一步改善成形件中的残余应力以及提升增材效率。

电弧增材制造GH4169合金均匀化热处理组织特征、力学性能和蠕变性能研究

为深入探究电弧增材制造GH4169合金热处理组织特征,针对不同热处理工艺对GH4169合金组织及相的影响开展研究,以确定最佳的均匀化热处理工艺。采用电弧熔丝增材制造技术成形GH4169合金试块,研究不同均匀化热处理温度下试样微观组织和力学性能的变化。结果显示,随着均匀化温度的提升,Laves相逐渐溶解至完全溶解,试样组织逐渐变得均匀。当均匀化温度升至1 100℃时,Laves相完全溶解,试样水平方向和垂直方向均为等轴晶,组织各向异性消除。经过1 100℃均匀化处理再进行固溶+双时效处理,材料强度明显提升,相比沉积态增加50%,且材料的蠕变性能远高于锻件标准。研究表明,通过控制均匀化热处理温度和后续的热处理工艺,能有效提升电弧增材制造GH4169合金的力学性能和蠕变性能。对于优化电弧增材制造GH4169合金的工艺参数,提高其综合性能具有重要意义。

Cu合金在电弧熔丝增材制造过程中的组织与力学性能演化

本文研究了Cu-8Al合金在电弧熔丝增材制造过程中的微观组织、物相、显微硬度和拉伸性能的演化行为。结果表明,刚沉积的CuAl合金晶粒为尺寸较大的枝晶,在后道次的热影响作用下转变成较细小的柱状晶,而后柱状晶长大,直到晶粒尺寸在距样品端部几毫米的位置趋于稳定。刚沉积的CuAl合金发生Al的枝晶偏析,但在后道次热影响的作用下偏析可消除,使合金组织和成分均匀化。板状样品端部即最后沉积未受后续热影响的位置显微硬度高达HV 160,但随着Al偏析的消除以及枝晶转变成柱状晶,硬度降低到HV 80。原位拉伸结果显示CuAl合金板的抗拉强度高达400 MPa,伸长率可达50%,其屈服强度还有一定的提升空间。拉伸过程中原位观察到了位错滑移和晶粒转动,断裂机制总体为韧窝断裂,端部屈服强度更高、塑性略低、晶粒转动更普遍。总体上电弧熔丝增材制造的CuAl合金板除端部之外组织均匀,具备良好的力学性能。如需其组织性能均匀,或要求高耐蚀性,有必要在沉积后对端部进行局部热处理;如需更好的耐磨性能则不需处理。可进一步添加少量析出强化元素提高CuAl合金的强度与耐磨性能。