等离子弧增材低碳贝氏体钢组织与性能分析

采用等离子弧增材工艺制备了成形良好的贝氏体钢构件,研究了其力学性能和微观组织.结果表明,增材构件的微观组织主要由板条状贝氏体、粒状贝氏体和少量奥氏体组成.增材构件组织和力学性能存在局部差异:顶部组织晶粒比较粗大,主要由板条状贝氏体和奥氏体组成,显微硬度平均值约为365 HV;底部区域组织晶粒比较细小,多为粒状贝氏体,显微硬度平均值约为384 HV;构件整体平均冲击韧性为145 J/cm^(2),平均拉伸强度和断后伸长率分别可以达到955 MPa和11.7%,其中x方向的拉伸强度为945 MPa,略小于y方向的抗拉强度(963 MPa)和z方向的抗拉强度(958 MPa),说明构件抗拉强度不存在明显的各向异性,断口为韧性断裂.创新点:(1)利用贝氏体钢药芯焊丝等离子弧增材复杂结构件.(2)分析十字交叉路径下的构件微观组织和力学性能.(3)阐明等离子弧增材贝氏体钢相较于其它电弧增材优缺点.

等离子弧增材制造Ti-6Al-4V工艺参数对成形性和显微硬度的影响

等离子弧增材制造技术具有低成本、高沉积率和高材料利用率等优势,对航空航天、海洋工程及军事医学等领域的大型复杂零件制造具有重要意义。但等离子弧能量密度高及钛合金热导率低的特性,导致钛合金沉积零件成形性差,且易生成粗大柱状晶。另外,等离子弧增材制造工艺参数多和调控难的特点,限制了满足力学标准的增材制造工艺参数的快速制定。采用正交试验法、金相组织分析及组织与力学能关系表征等手段,研究等离子弧增材制造Ti-6Al-4V工艺参数对成形性、显微组织及显微硬度的影响规律。研究结果表明,等离子弧工艺参数对成形性的影响程度依次为基值电流(I_(b))>峰值电流(I_(p))>占空比(I_(dcy))>送丝速度(T_(WFS))>沉积速度(T_(s))>脉冲频率(F_(P)),且基值电流对单道沉积层的熔宽、余高和成形性的影响最大;对平均晶粒尺寸的影响程度依次为T_(s)>F_(P)>T_(WFS)>I_(b)>I_(p)>I_(dcy),沉积速度越大,晶粒尺寸越小,脉冲频率影响次之;对显微硬度影响程度依次为T_(s)>I_(dcy)>T_(WFS)>I_(b)>F_(P)>I_(p),沉积速度对平均晶粒尺寸和显微硬度影响最大,峰值电流对平均晶粒尺寸及显微硬度的影响有限。研究结果可为等离子弧增材制造及再制造工艺提供理论依据,并为野外矿山机械、海洋船舶、工程装备平台及石油化工装备等受损零件的快速修复提供工艺调控技术参考。

双填丝等离子弧增材制造高强高硬高氮钢组织与特性研究

针对等离子单填丝增材制造电弧热量利用率低和熔丝效率低,容易造成增材金属过热的问题,以高氮钢丝材为熔化材料,采用单电弧双填丝共熔池的等离子弧增材制造工艺制备了高氮钢直壁体试样。采用游标卡尺、光学显微镜、扫描电镜和力学性能试验等手段,分别对单填丝和双填丝两种工艺增材直壁体的成型尺寸、熔敷效率、显微组织、力学性能和断裂形式进行了对比检测分析。然后详细考察了丝材熔敷量增加对试样组织和力学性能的影响,并分析双填丝等离子弧增材制造高强高硬高氮钢构件的组织变化规律和性能变化规律。结果表明,相对于单填丝增材工艺,在同样的增材电流下,双填丝增材工艺中总填丝速度可以成倍增加,分层更加清晰,平均有效熔敷效率提高92%。试样的显微组织大部分为平行增材方向奥氏体柱状树枝晶,存在少量的δ铁素体和弥散分布的氮化物,少量奥氏体树枝晶生长的方向出现不一致。在同样的电弧进行速度下,双填丝等离子弧增材制造的试样的抗拉强度均有明显提升,最大提升可达到44 MPa;断后伸长率均有增加,最高提升了9.4%。试样的显微硬度比单填丝增材试样的显微硬度略有提高。

大厚度高氮钢多层多道等离子弧增材构件的组织与性能分析

以自研的高氮奥氏体不锈钢焊丝为增材丝材,采用等离子弧成功堆敷了25 mm大厚度高氮钢构件。采用X射线检测、光学显微镜、扫描电镜、能谱仪和机械试验机对增材构件的缺陷、成分、组织和力学性能进行了检测分析,详细考察了堆敷速度对组织和力学性能的影响,揭示了大厚度多层多道增材制造的组织变化规律和性能增强机制。结果表明:大厚度高氮钢增材构件内部存在少量气孔,并且构件内合金元素分布均匀。试样的组织大部分为奥氏体,还有少量的δ铁素体和弥散分布的氮化物,层间和道间均分布着铁素体带。当堆敷速度由30 cm/min下降到18 cm/min时,上下两层相邻焊道交界处铁素体带的宽度由160μm降低到35μm,每层热输入量由1.275×104 kJ降到1.042×104 kJ;试样的横向和纵向平均抗拉强度分别提高90 MPa、76 MPa,横向和纵向平均延伸率分别提高6.5%、7.0%,横向和纵向平均冲击韧度分别提高12.07 J/cm 2、4.02 J/cm 2,试样的平均显微硬度提高了22.2HV。

TC4-TA1等离子弧增材制造单道模型及成形研究

合适的焊道尺寸及道间距对于控制增材制造过程中工件的表面成形起到至关重要的作用。采用高能量密度的等离子弧为热源,研究了两种材料(TC4钛合金、TA1纯钛为丝材)沉积单道的成形特性及焊道截面模型。结果表明:电流一定(ITC4=130A,ITA1=140A)、熔积比n∈(0,16)时,TC4、TA1沉积单道截面均为抛物线模型,且n∈(6,10)时拟合误差值小于2.5%;筛选出最佳增材工艺参数,TC4:电流为130A、送丝速度为1.8m/min、行走速度为3.5mm/s;TA1:电流为140A、送丝速度为1.8m/min、行走速度为3.5mm/s。异种材料增材最佳道间距为0.738W(W为单道宽度)。

热处理工艺对Ti-6Al-4V等离子弧熔丝增材钛合金显微组织和力学性能的影响

采用等离子弧熔丝增材制造技术成形钛合金(Ti-6AL-4V)试样。分析不同的热处理工艺参数对钛合金显微组织和力学性能的影响规律,获取适用于等离子弧熔丝增材TC4钛合金的热处理工艺参数。结果表明:随着退火温度的提高,材料的强度逐渐下降,塑性呈现先降低后升高的趋势,组织差异不大;固溶时效后,初生α相明显减少,α相的长宽比明显低于沉积态和退火态,并且力学性能得到提升。不同方向的力学性能差异明显,X方向的抗拉强度高于Z方向,韧性低于Z方向。

等离子弧熔丝增材制造TC4-DT钛合金组织与疲劳断裂行为

采用单轴拉伸疲劳试验系统,研究了等离子弧熔丝加微挤压增材制造TC4-DT钛合金的微观组织与疲劳性能关系。结果表明,等离子弧熔丝微铸锻制备的钛合金中原β晶粒呈等轴状,晶内α片状组织与晶间β相形成网篮组织与束域组织,α片层基体有少量位错,及纳米尺寸β相。合金的屈服强度为845.08 MPa,抗拉强度为943.19 MPa,伸长率为14.4%,循环应力比为0.1,频率为25 Hz。随应力幅的增大,合金疲劳寿命降低显著。由于孔洞等缺陷的存在,疲劳寿命出现较大的弥散性。疲劳裂纹萌生于合金内部气孔与未熔合区,疲劳裂纹扩展区有二次裂纹与疲劳辉纹,瞬断区呈韧性断裂特征。

固溶处理对脉冲微弧等离子增材制造Inconel 625构件力学性能的影响

为研究固溶处理对微弧等离子增材制造Inconel 625构件力学性能的影响,分别在950、1050、1150和1250℃条件下对脉冲微弧等离子增材制造Inconel 625合金薄壁构件试样进行了90 min固溶处理。试验表明,随着固溶温度升高,晶粒再结晶程度不断增大,生长取向发生变化;出现回溶现象,析出物逐渐减小,位错密度逐渐降低且分布位置集中在晶界区域。固溶强化提升了结构的抗拉强度,内部存在的Laves相对位错滑移的阻碍作用减弱使薄壁构件的延伸率得到提升。在1150℃环境固溶处理后,脉冲微弧等离子增材制造Inconel 625合金薄壁构件屈服强度、抗拉强度及延伸率达到最优。这为优化脉冲微弧等离子增材制造Inconel 625薄壁构件工艺提供了理论支撑。

WPAAM弧长智能预测与过程监控系统设计

在丝材等离子弧连续增材制造过程中,由于电弧加热过程中热积累导致实际堆敷层高度与设计堆敷层高度出现差异,造成弧长长度难以恒定;同时工艺参数的变化也会影响增材制造过程的稳定性。因此针对丝材等离子弧增材制造,设计了基于LabVIEW的等离子电弧弧长智能预测及过程监控系统。系统以USB4711A采集卡为核心,采用传感器实时采集增材过程中的堆敷电流和电弧电压等信息,实时显示工艺参数动态信息并分析数据,同时建立了基于BP神经网络的弧长智能预测模型,以实时监测增材制造过程中弧长的变化。试验表明,该过程监测系统能够实时监测堆敷过程,通过实时调用3-7-1结构的BP神经网络,能够实时预测电弧弧长变化,预测的误差范围为-1.6~1.4 mm,达到预期要求。

工艺参数对等离子弧沉积316L不锈钢形貌及组织的影响

以316L不锈钢粉末为原料,采用等离子弧沉积技术在高沉积速率下获得了致密无缺陷的单道试样。首先研究了沉积电流、扫描速度、送粉速度与沉积层高度、沉积层宽度、沉积角之间的关系,然后对沉积试样的微观组织和组成成分进行了检测与分析。结果表明:沉积角随着送粉速度的增大而增大,随着沉积电流的增大而减小;沉积角主要是锐角,有利于试样的沉积;沉积电流对沉积层宽度的影响最大,扫描速度对沉积层高度的影响最大,稀释率随着扫描速度的增大而减小,随着沉积电流的增大而增大,随送粉速度增大而减小;沉积试样成分均匀,凝固组织为奥氏体和铁素体。

激光/等离子定向能量沉积316L不锈钢成型尺寸及力学性能的对比

作为当前最热门的增材制造技术之一,定向能量沉积可以实现大尺寸零件的高效成型。激光和电弧是定向能量沉积系统中最常用的热源,但它们在能量输入、能量分布以及与材料的作用机制等方面都存在差异。为此,本文对比了激光和等离子定向能量沉积316L不锈钢单道和薄壁件在尺寸、显微组织、力学性能方面的差异,以揭示两种工艺成型零件的差异。结果表明,在所选的工艺窗口内,激光在冷基板上沉积首层的结合效果要好于等离子。等离子定向能量沉积和激光定向能量沉积的工艺参数对单道尺寸的影响程度不同:在等离子定向能量沉积过程中,电流对层宽的影响最大,然后依次为送粉量和扫描速度,送粉量对层高的影响最大,之后依次是电流和扫描速度;在激光定向能量沉积过程中,扫描速度对层宽的影响最大,然后依次是送粉量和激光功率,送粉量对层高的影响最大,之后依次为扫描速度和激光功率。拉伸试验和显微硬度的测试结果表明:等离子定向能量沉积样件与激光定向能量沉积样件的力学性能相近,激光成型试样的抗拉强度可达593 MPa,等离子成型试样的抗拉强度可达570 MPa;但两者的显微组织存在较大差别,等离子成型试样中以定向生长的细长柱状晶为主,而激光成型试样中的柱状晶较短,不同区域的柱状晶生长方向各异。