冷金属过渡电弧增材制造技术研究进展

针对冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术存在的表面成形质量差、制件内部易形成孔隙等冶金缺陷、微观组织与性能调控困难等问题,从控形与控性两个方面出发,对CMT电弧增材制造技术研究进展进行了综述.首先,对CMT技术的原理及特点进行了分析与梳理;然后,对CMT电弧增材制造技术在"形"与"性"方面的调控方式进行了总结,具体阐述...     

浅析CMT技术在铝合金电弧增材制造中的应用

随着近些年科学技术不断进步,越来越多的先进制造工艺与技术在轻合金材料制造领域得到应用。铝合金材料及技术目前已经取得较好发展成果,相应的增材制造技术也备受关注。CMT是一种新型焊接工艺,具有弧长控制精确、飞溅少以及热输入量小等特点,非常适合低熔点金属,特别是铝合金增材制造,是近些年国内外研究的焦点之一。基于此,从当前国内外研究方向着手,对CMT工艺、送丝速度以及焊接速度等参数对成形件的影响进行分析,概述CMT电弧铝合金增材制造时的气孔缺陷、组织性能及尺寸控制等内容。最终可知,CMT技术在铝合金电弧增材制造方面仍然有待进一步研究,从而实现在现代制造业领域的加速发展。     

石化容器用2.25Cr-1Mo-0.25V钢的CMT电弧熔丝增材制造工艺及组织性能研究

为探索大型石化筒体根部止口的制造新工艺,采用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V合金丝材,使用CMT电弧熔丝增材制造技术首次堆积2.25Cr-1Mo-0.25V直壁墙,探索增材后的最佳热处理工艺,以改善沉积态显微组织与力学性能。实验发现：增材成形的直壁件内部微观组织主要为板条贝氏体、粒状贝氏体和部分马氏体,堆积方向组织差异明显,显微硬度浮动剧烈,拉伸强度远高于母材,但断裂延伸率较低。对增材后的直壁件施加“消氢处理+去应力处理”和“模拟最小焊后热处理”,发现后者能将其塑性提升至与母材相当。根据显微组织分析,经过“最小焊后热处理”,沉积态的板条贝氏体和部分马氏体可转变成均匀分布的粒状贝氏体,组织间的各向异性显著降低。实验证明,应用新研发的2.25Cr-1Mo-0.25V丝材在最佳的CMT电弧熔丝增材工艺参数下成形直壁件并结合“最小焊后热处理”能够最大程度地改善显微组织和力学性能,最终满足石化容器筒体根部止口的服役指标。相比浇铸-锻造成形止口的工艺,开发的CMT电弧熔丝增材新工艺有望大幅节约生产成本,提高制造效率。     

热丝辅助电弧增材Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金组织与性能研究

电弧增材制造技术可以缩短生产周期,降低成本,实现铝合金的快速成形,但存在结构内部含有较多气孔及晶粒粗大的问题。热丝辅助电弧增材制造(HWAAM)可以有效降低气孔率和细化晶粒,进一步提高电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金的性能。采用热丝电弧增材制造技术制备了Al-Cu-Mg-Ag耐热铝合金,利用拉伸试验、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等实验方法,研究了电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag铝合金的气孔缺陷、显微组织和力学性能。结果表明,与冷丝成形合金相比,热丝辅助电弧增材制造Al-Cu-Mg-Ag合金气孔率降低25%,气孔球形度增加,空间分布较为均匀;同时晶粒尺寸降低30%,晶粒形貌趋于等轴晶化。冷丝结构件抗拉强度为218 MPa,屈服强度为134 MPa,延伸率为3.2%,使用热丝电弧增材制造后,力学性能提高,其抗拉强度提升至242 MPa,屈服强度提高至148 MPa,延伸率4.2%。最后,分别采用固溶+时效和人工时效热处理工艺,进一步改善了热丝辅助成形Al-Cu-Mg-Ag合金的力学性能。固溶与时效热处理后抗拉强度达到368 MPa,延伸率下降至0.5%,时效热...     

冷金属过渡电弧增材制造多道搭接工艺研究

基于冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术,以2319铝合金为堆积材料,恒定送丝速度与不同焊接速度得到6组单层焊道,分别采用标准曲线对单层焊道截面轮廓进行拟合,结果表明抛物线和圆弧曲线的拟合效果均较好。在损失较小模型精度的情况下简化搭接模型,基于抛物线曲线建立单层多道斜顶搭接模型,理论推导最优搭接间距为0.715倍单道宽度。为了验证模型的正确性,采用不同搭接间距成形单层两道进行试验验证,并将其与传统的平顶搭接模型进行对比。试验结果表明斜顶模型更加符合CMT电弧增材制造工艺过程。当搭接间距确定后,研究表明当单层焊道成形高度降低时,搭接表面不平度随之减小,有利于后续多层多道堆积成形。基于优化后的搭接参数,成形多层多道样件,成形形貌良好,三个方向的拉伸力学性能表现出各向异性。     

电弧熔丝增材制造460 MPa级建筑钢十向节点用药芯丝材的开发及应用

基于Q460钢的名义成分设计了电弧熔丝增材制造建筑钢十向节点专用药芯丝材的成分,制备了药芯丝材并研究了其工艺性能;利用该药芯丝材,采用电弧熔丝增材制造技术制备建筑钢十向节点,研究了其尺寸精度、组织和力学性能。结果表明:试验制备药芯丝材在电弧熔丝增材制造过程中的电弧稳定、飞溅小,堆积金属无裂纹、气孔等缺陷;采用该药芯丝材电弧熔丝增材制造建筑钢十向节点的成形精度符合要求,组织主要由细小铁素体和少量珠光体组成,其拉伸性能、室温和-40℃冲击性能均满足传统Q460钢十向节点的力学性能要求。     

冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^-1)对温度场的影响。结果表明：模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。     

搅拌摩擦处理对镁合金电弧增材修复层缺陷调控

镁合金电弧增材冷金属过渡焊(Cold metal transition, CMT)电弧增材过程中存在导热快、结晶不规则等问题,易在搭接处形成明显孔洞缺陷,且零件表面粗糙,研究修复层缺陷调控对镁合金增材制造修复的发展和实际应用具有重要意义。研究表明,镁合金CMT快速增材制造实现了多焊道的搭接,并获得细小的晶粒(约10.5μm),平均显微硬度达0.89 GPa,具备较高的力学性能;经过搅拌摩擦处理,不仅改善了表面质量,还消除了焊道搭接与基板的界面处孔洞,晶粒得到进一步细化(约9.7μm),降低材料服役过程中的断裂风险。重点验证了镁合金电弧熔覆与搅拌摩擦处理复合制造的可行性,为高性能镁合金增材制造方法提供了新的思路。     

钛合金电弧增材制造国内外研究的发展现状

随着增材制造技术的创新和不断发展,钛合金电弧增材制造广泛应用于各个领域,涉及航空航天、船舶、汽车、生物医疗、化工以及模具制造等。当前,很多研究学者对钛合金增材制造技术进行了深入研究,在钛合金电弧增材制造研究方面已取得了一定成果。基于此,综述当前国内外钛合金电弧增材制造技术研究现状,并对钛合金电弧增材制造技术的运用以及未来发展前景进行了总结和展望。     

TiAl基合金的增材制造技术研究进展

TiAl基合金是一种新型的轻质高温结构材料,在航空、航天领域具有很好的应用前景.增材制造技术作为一项先进的快速近净成形技术,非常适合用于具有复杂结构、高精度要求的发动机高温结构件的制造.在分析相关文献的基础上,评述了国内外TiAl基合金增材制造技术主要研究进展,包括激光熔化沉积、激光选区熔化、电子束选区熔化和电弧熔丝等增材制造方法的原理、优势和最新进展情况,以及TiAl基复合材料和有关梯度材料的研究现状,分析了现阶段TiAl基合金增材制造技术的不足,并在增材制造用TiAl基合金成分设计、工艺优化与组织性能改善、新型TiAl基材料开发和复合增材制造技术探索等方面提出了展望.     

电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔的研究现状

电弧熔丝增材制造铝合金中的气孔会产生应力集中,导致初始裂纹萌生和扩展,造成力学性能变差.介绍了电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔缺陷形成的原因,阐述了保护气体、焊接速度、送丝速度、金属丝材、热输入、轧制和热处理等工艺条件对气孔率的影响,并对降低电弧熔丝增材制造铝合金零件中气孔率的今后研究方向进行了展望.     

氩氦混合气对铝合金CMT电弧增材制造过程成形质量的影响

针对铝合金CMT电弧增材制造技术,采用5356铝合金焊丝在Ar+He二元混合气体保护下进行CMT机器人自动化增材制造实验,研究不同Ar+He混合气比例对成形试样尺寸精度和力学性能的影响。对试样尺寸精度、气孔率及拉伸性能进行了分析。结果显示:表面粗糙度随氦气比例的增加先增加后减小。当氦气比例增加到75%后,不仅可以有效消除0.2 mm以上的宏观气孔,也可以消除显微气孔。力学性能显示抗拉强度同样随氦气比例的增加先增大后减小,70%Ar+30%He时抗拉强度达到最大值252.5 MPa。     

多机器人协同的五电弧增材制造装备及其应用

电弧增材制造是用于大型复杂金属构件成形的新技术,其制造装备是实现金属构件形性一体化制造的关键.研制了可实现3台机器人协同工作、金属构件形性一体化制造的五电弧增材制造装备,由增材单元、测量单元和减材加工单元等组成.利用RoboTeam软件包实现3台机器人协同工作,在总控单元中开发机器人路径规划软件,分别对3台机器人进行路...     

多向钢节点电弧增材制造摆动工艺参数优化

基于二次回归通用旋转设计试验方法对多向钢节点电弧增材制造摆动工艺参数进行优化。建立了摆动工艺参数送丝速度、焊枪移动速度及单边摆动幅度与堆积金属宽度和高度之间的3D响应模型,并分析验证了模型的可靠性。研究了单个摆动工艺参数和摆动工艺参数交互作用对堆积金属宽度和高度的影响。利用建立的3D响应模型优化了六向钢节点电弧增材制造摆动工艺参数,采用优化的摆动工艺参数电弧增材制造六向钢节点,制造的六向钢节点平均尺寸偏差为±1.30mm,成形精度较高。     

电弧增材再制造低碳钢疲劳性能研究

以增材制造为核心的再制造技术有望在航空航天、武器装备等领域成为替代人工或减材再制造的核心再制造技术。增材制造采用逐层熔融沉积成型,其疲劳性能与常规制造材料相比通常具有较大差异。成型过程中移动热源反复熔覆,形成复杂热历史,造成材料微结构的复杂演变。因此,增材制造材料疲劳裂纹扩展性能也存在一定的各向异性。以电弧增材再制造低碳钢为对象,针对裂纹扩展性能,研究电弧增材制造与常规热轧制造材料之间,以及电弧增材制造材料不同取向之间疲劳裂纹扩展速率的差异。分析造成疲劳裂纹扩展性能差异的微观层面机理,为电弧增材再制造材料在关键领域应用提供支持。     

GH4099高温合金电弧增材制造工艺研究

研究了GH4099高温合金电弧增材制造材料的显微组织及力学性能,结果表明:GH4099高温合金电弧增材制造过程中材料流动性较差,需采用He气进行保护才能满足成形需求;电弧增材制造组织呈现出较为明显的各向异性,其中垂直于增材方向呈现出连续的列状枝晶,而平行于增材方向则呈现出等轴晶组织,在等轴晶内部存在着树枝晶亚结构,大量γ′强化相及MC碳化物弥散分布在等轴晶晶界和晶粒内部;经常温与900℃高温力学测试,GH4099高温合金电弧增材制造材料抗拉强度和常温断后延伸率均满足GB/T 14996—2010《高温合金冷轧板》标准要求,但900℃高温断后延伸率低于标准要求。     

基于Workbench的316L不锈钢增材制造温度场数值模拟研究

利用Workbench有限元分析软件，采用生死单元与移动热源结合的方法对电弧增材过程温度场进行研究，实现了不同工艺参数下增材制造过程温度场数值模型的建立与求解。结果表明：固定输入条件下成形件多层累积增材过程中热量积累效应逐层增强；相同热输入下，增材第1层至第10层，增材过程中焊道中点温度由2 354.9℃升高到2 879.7℃；控制层间冷却时间、改变逐层热输入均可减少热量的累积，通过控制层间冷却时间使得层间温度低于600℃，同时改变逐层热输入参数使增材过程最高温度降低了约10%。     

45钢微铸轧增材成形件的组织性能研究

利用华中科技大学材料科学与工程学院研制的微铸轧增材成形技术和装置,在电弧熔积和微铸轧2种工艺条件下进行试验,分析测试了增材成形的45钢试样的组织特征和力学性能。试验结果表明:与电弧熔积成形相比,微铸轧工艺将晶粒粒度由3.0级提升至9.0级,抗拉强度提高了31.3%,屈服强度提高了68.8%,平均硬度提高了10.9%;与熔模铸造相比,抗拉强度提高了58.4%,屈服强度提高了107.7%。因此,微铸轧增材成形技术将为低成本制造高强度钢零件提供一条有效途径。     

CMT电弧增材制造过程电弧特性对熔滴过渡行为的影响机理研究

冷金属过渡(CMT)电弧增材制造技术具有沉积效率高、制造成本低等优势，在航空用大尺寸构件的快速成型领域应用前景广阔。对于电弧增材制造大型构件需采用大电流来进一步提高沉积效率，但在此高电流模式下电弧放电过程对熔滴过渡行为的影响机理尚不明确。因此，本研究采用高速摄像仪观察了电弧增材制造过程中电弧形态及熔滴过渡行为，同时通过建立电弧模型及熔滴过渡模型，分析了在不同电流波段及工艺参数下熔滴过渡频率及熔滴尺寸变化规律，最终揭示了电弧放电过程中电流密度、洛伦兹力等物理因素对熔滴过渡的作用机理。结果表明，电弧宽度与洛伦兹力决定熔滴在电弧放电过程中的受力大小，进而决定熔滴尺寸及其过渡频率。随着送丝速度从5.5 m/min增大至7.0 m/min时，电流峰值持续时间增加了1倍左右，同时电弧宽度与电流密度的随之增加，使得熔滴过渡过程中电磁力上升，熔滴尺寸下降14%且射滴过渡频率增加了3～4倍。当瞬时电流进入熄弧阶段时，熔滴过渡形式转变为短路过渡。随着送丝速度的增加，短路过渡频率从29 Hz减少至20 Hz。     

电弧增材制造与铣削复合加工系统与工艺研究

针对目前电弧增材制造过程中存在的设备成本高和零件成形效果较差等问题,设计出一种电弧增材制造与铣削的复合加工系统与工艺。该工艺结合了电弧增材制造和铣削加工的特点,通过对成形工艺和机械运动的研究,有效地避免了干涉问题。同时,采用自主开发的专用软件对路径规划和焊接参数进行控制,简化了机械运动的控制方法。实例分析表明,该系统能够很好地实现复合铣削的电弧增材制造,为提高零件增材制造效率和成形质量提供了一种新的有效途径,验证了该项工艺技术的可行性和有效性。