CMT电弧增材制造GH4169合金的组织和拉伸性能

目的研究冷金属过渡CMT电弧增材制造GH4169合金单道多层薄壁试样的组织和拉伸性能。方法利用CMT增材制造成形系统进行GH4169合金的单壁墙增材制造试验,分析了成形薄壁试样的组织演化和力学性能,讨论了柱状晶组织的各向异性以及均匀化处理对合金力学性能的影响。结果成形试样的显微组织主要为γ相和共晶(γ+Laves)相,试样沿沉积方向具有[100]择优取向。枝晶组织随着沉积层数的增加变得粗大,枝晶间距变大且二次枝晶臂变小,Laves相的取向特征越明显。从底部区域到顶部区域,试样枝晶臂间距λ_1从13.76μm增大到23.27μm。沿柱状晶生长方向的抗拉强度最大,约为774 MPa;而沿电弧行走方向的抗拉强度随沉积层数的增加逐渐减小,断后伸长率逐渐增大,最大抗拉强度约为763MPa。1170℃固溶+时效处理后,原粗大柱状晶形成较小的多边形晶粒,成形试样组织的均匀性提高,沉积方向最大抗拉强度为1222 MPa,沿电弧行走方向最大抗拉强度为1085 MPa。结论 CMT增材制造GH4169合金组织特征与激光增材制造的试样基本一致,热处理前后CMT成形GH4169合金试样抗拉强度均小于激光立体成形,但伸长率更大。     

激光选区熔化与铸造成形TC4钛合金的力学性能分析

借助有限元模拟、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)和维氏硬度仪研究了激光选区熔化和铸造成形TC4钛合金的微观组织演变及力学性能,进一步分析了不同成形条件下液态金属凝固冷却对其微观组织和力学性能的影响。结果表明:激光选区熔化与铸造成形的TC4钛合金分别为针状马氏体α'相的网篮组织、α+β相的魏氏组织。与铸造相比,激光选区熔化成形TC4钛合金具有极快的冷却速率(1.78×107℃·s~(-1))和较高的温度梯度,元素类型相同,晶体取向明显。同时,利用激光选区熔化(SLM)技术成形的TC4试样的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别为1 120.83 MPa、916.31 MPa、9.5%和123.04HV,而铸造试样的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度分别为917.67 MPa、786.23 MPa、8.0%和77.876HV。与铸造成形相比,SLM成形的TC4试样的抗拉强度、屈服强度、伸长率和硬度增大,分别提升了22.14%、16.54%、18.75%和58%,因此激光选区熔化成形的TC4试样具有较好的力学性能。     

电弧增材制造TC4微观组织调控及力学性能研究

目的 研究固溶时效处理对电弧增材制造TC4钛合金微观组织和力学性能的影响规律。方法 设置了1组时效处理(AT,600 ℃/2 h/空冷)和2组固溶+时效处理(SA1,800 ℃/1 h/炉冷+600 ℃/2 h/空冷;SA2,870 ℃/1 h/炉冷+600 ℃/2 h/空冷)策略,对电弧增材制造TC4钛合金进行了热处理试验。通过扫描电镜(SEM)进行微观组织形貌和断口形貌观察,通过拉伸试验机进行室温力学性能测试。结果 沉积态试样的微观组织均匀性较差,主要由马氏体α¢相、网篮组织、不连续的晶界α相(α Grain Boundary,αGB)和集束组织构成。AT并未完全消除马氏体α¢相,但提高了其延展性。经固溶+时效处理后,马氏体α¢相消失,晶粒内部主要由网篮组织和αGB组成。平均抗拉强度由沉积态的999.67 MPa降低到SA2的936.46 MPa,而平均延伸率从6.23%提高到12.48%,且SA2样品显示出更低的力学性能各向异性。其中沉积态试样抗拉强度、屈服强度和延伸率的各向异性值(IPA)分别为4.82、0.96和28.7。SA2试样抗拉强度、屈服强度和延伸率的IPA分别为0.3、0.42和5.56。结论 固溶时效处理有助于提高电弧增材制造TC4钛合金微观组织均匀性,并显著降低力学性能的各向异性。     

超声微锻造辅助定向能量沉积316L不锈钢微观组织与力学性能研究

目的 在定向能量沉积（Directed Energy Deposition,DED）增材过程中,快速加热与冷却会导致增材构件出现晶粒粗大、孔洞裂纹缺陷多、综合力学性能偏差等问题,针对以上情况,对超声微锻造辅助DED增材316L不锈钢进行了研究。方法 设计了一套活动自由度高、超声振动能量易集中的滚珠式超声微锻造辅助增材制造系统,并研究了该超声微锻造系统对DED增材316L不锈钢微观组织与力学性能的影响。采用控制变量法对DED增材316L不锈钢的打印参数进行了优化,获得了最优打印参数下未加超声微锻造辅助的不锈钢试样的组织和力学性能。然后在相同的打印参数下采用本文设计的滚珠式超声微锻造系统辅助制备不锈钢试样,并分析了滚珠式超声微锻造对试样微观组织与力学性能的影响规律。结果 超声微锻造辅助DED增材能够细化柱状晶晶粒,使柱状晶宽度变窄,层间分布更加清晰,孔洞裂纹等缺陷减少,位错密度增加,位错密度由5.19×1013 m-2升高至7.5×1013 m-2;在力学性能方面,试样的屈服强度与抗拉强度均有所提升,增材件的屈服强度由（517.4±0.73）MPa提升至（550.1±4.49）MPa,抗拉...     

电弧增材制造舰船用高强钢10CrNi_3MoV的组织及性能

采用电弧增材制造技术制备了舰船用高强钢10CrNi_3MoV试样。分析和评价了10CrNi_3MoV舰船用高强钢电弧增材制造试样的物相组成、显微组织结构、晶体结构和力学性能。通过对10CrNi_3MoV高强钢电弧增材制造试样的组织及性能研究发现:采用电弧增材制造技术制备的10CrNi_3MoV舰船高强钢试样成形质量良好,未出现较大的缺陷,试样内部冶金结合良好,金相组织主要为针状铁素体、块状铁素体和粒状贝氏体;试样截面显微硬度分布较均匀,平均显微硬度约为217HV_(0.2)。试样的力学性能优良,横向平均屈服强度为498MPa,平均抗拉强度为676MPa,平均伸长率为25.5%,-40℃时夏比冲击值为127J;纵向平均屈服强度为459MPa,平均抗拉强度为648MPa,平均伸长率为23.5%,-40℃夏比冲击值为109J。     

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.     

CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金微观组织性能研究

目的研究冷金属过渡技术(Cold metal transfer,简称CMT)增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织成形规律。方法采用CMT电弧增材的方式制备了Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的薄壁试样件,研究了试样件在不同位置、不同方向的微观组织。结果 CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织分为3个区域,前3层的不稳定区域主要是由基材树枝晶到柱状晶的转变区域;第3层到最后一层的稳定区域主要是外延生长的柱状晶区;在最后一层靠近空气侧约360μm厚度范围内,出现转向枝晶。交替往复电弧增材的Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金,在每层顶部均会形成转向枝晶,但随后新一层电弧增材的熔池会熔化顶部形成的转向枝晶,最终在微观组织形貌上表现出柱状晶外延生长的形式。结论通过控制合适工艺参数,可以获得致密无缺陷的CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金薄壁试样,在试样的稳定区域,微观组织是外延生长的柱状晶,柱状晶的晶界上Al,Ni,Mn元素产生富集现象,质量分数高于平均值。在柱状晶的晶内,Cu元素高于均值,而Al,Ni,Mn元素质量分数均低于均值,这与柱状晶的形核顺序有关。     

410马氏体不锈钢块体材料的冷金属过渡焊电弧增材制造与性能表征

电弧增材制造具有效率高、成本低和不受成形尺寸限制等独特优势,在新型制造、修复领域拥有良好的应用前景.获得力学性能良好、显微组织均匀的电弧增材制造件是目前急需解决的问题.通过冷金属过渡焊(CMT)丝材电弧增材制造系统,制备了两种410马氏体不锈钢块体材料.光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和力学性能测试结果表明,现有工艺可制备显微组织均匀、硬度平均值为530HV、抗拉强度平均值为1 196 MPa且延伸率均匀的沉积件.本工作还探讨分析了电弧增材制造件的力学性能特点及成因,并与锻造、激光增材制造等方法制得的H13热作模具钢的力学性能进行比较,分析了电弧增材制造件的性能与其他方法制备的工件性能存在差异的原因,考察了冷金属过渡电弧增材制造410不锈钢在修复件中使用的可行性,阐述了提升电弧增材制造件力学性能的方向.     

TC4钛合金表面电子束熔覆Ti40阻燃钛合金工艺研究

目的在TC4表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金,并研究熔覆试样的组织与力学性能。方法采用电子束在TC4钛合金表面熔覆一层Ti40阻燃钛合金。采用光学显微镜(OM)分析熔覆试样的显微组织,用显微硬度计分析熔覆试样的显微硬度,用电子万能拉伸试验机分析熔覆试样的力学性能。结果在选定的最佳工艺参数下,熔覆层与基材熔合良好,熔覆层为均匀分布的等轴β晶粒,表面及熔合区组织晶粒细化。添加椭圆形扫描波形能使气孔缺陷明显减少,表层更加均匀,组织更细小。扫描波形对熔覆层显微硬度的整体分布形态影响不明显,Ti40熔覆层在上表面及熔合区附近的显微硬度比熔覆层中部略高。室温下力学性能测试结果表明,加扫描时成形试样的抗拉强度为857.3MPa,相对于基材降低了些许,断裂伸长率达到了42.69%,比TC4钛合金基材提升了约70%。结论采用电子束在TC4表面熔覆Ti40阻燃钛合金,能够获得良好的熔覆层组织以及力学性能。     

电子束熔丝沉积4043/4074铝合金的组织与力学性能

目的 研究电子束熔丝沉积Al-Si合金的微观组织与力学性能以及后续热处理的影响。方法 采用电子束熔丝沉积快速成形技术,分别对直径2 mm的4043和4047铝合金丝材进行增材制造成形,研究样品在不同方向上的微观组织与力学性能以及后续热处理的影响。结果 打印态的4043和4047合金的致密度分别为99.81%和99.88%,热处理后略有降低,分别为98.94%和99.77%。打印态样品中含有一些由硅颗粒和杂质相组成的条带状微观组织。打印态样品中含有近似等轴状与棒状的两类细小Si颗粒。打印态样品在长、宽、高3个方向上的拉伸强度相当,4043合金的抗拉强度为120~127 MPa,伸长率为12%~30%;4047合金的抗拉强度为151~155 MPa,伸长率为15%~30%。经热处理后,样品的强度略有降低,但伸长率显著提升。结论 通过控制EBF3参数,可以获得致密无缺陷的具有良好力学性能的块体Al-Si合金样品,其力学性能可通过后续热处理进一步调控。     

超声对直接激光沉积钛基复材中未熔TiC聚集现象的影响

目的 改善直接激光沉积TiCp增强TC4复合材料中未熔TiC(Unmelted TiC,UMT)的聚集情况,提高钛基复合材料的力学性能。方法 利用定点超声辅助直接激光沉积工艺制备了20%、30%(质量分数)TiCp/TC4复合材料,通过金相显微镜观察UMT的分布情况,采用X射线衍射仪分析物相组成、衍射峰强度与半峰宽变化。通过扫描电子显微镜(SEM)进一步分析样件的微观组织,并使用SEM配备的能谱仪模块对元素分布情况和元素含量进行分析,同时观察拉伸样件的断口微观形貌和初生TiC情况。分别采用显微硬度仪和微机控制电子万能试验机测试样件的显微硬度与拉伸性能。结果 超声产生的声流、空化和机械效应不断搅拌熔池,增大了熔池的润湿性,初生TiC熔化/溶解更加充分,改善了UMT在熔覆层边缘的聚集情况。在超声能场辅助作用下,20%、30%(质量分数)TiCp/TC4复合材料的平均显微硬度分别提升了8.4%和12.7%,极限拉伸性能分别提升了8.0%和15.0%。结论 定点超声高频振动可以有效改善UMT聚集现象,使TiCp在TC4基体中分布得更加均匀,增强了熔覆层间结合强度,最终使沉积件力学性能得到提升。     

电弧增材制造技术及其在TC4钛合金中的应用研究进展

增材制造是于20世纪80年代中期发展起来的一门新兴技术,因能快速精确地制造出形状复杂的结构件而受到广泛关注。电弧增材制造是以电弧为热源,采用逐层堆焊的方式制造出致密的金属构件,具有制造成本低廉、成形效率高的突出特点,在大尺寸、复杂零件的快速成形技术中表现出明显的优势,因而在航空航天、汽车船舶等领域有广阔的应用前景。TC4的化学活性高、热导率低、强度高,具有优异的综合力学性能,是应用最广泛的钛合金。TC4并不适合采用传统的加工方法制备,因此采用电弧增材制造的方法成形TC4结构件。但成形件典型的宏观组织为外延生长的柱状晶,导致其力学性能存在各向异性。本文综述了电弧增材制造的发展历史,结合该技术的特征及国内外研究现状,介绍了电弧增材制造TC4钛合金成形件的组织及性能方面的研究进展。     

电弧增材制造AZ31镁合金组织与力学性能分析

针对镁合金在轻量化结构件领域的应用前景,采用基于MIG焊的电弧增材制造工艺开展了两组不同路径的AZ31镁合金增材实验,并对其微观组织和力学性能进行了分析。结果表明：增材构件相较于原始焊丝的化学成分无较大变化;单道次多层往复堆积路径相较于多道次多层堆积路径,更易制得表面更为平整,内部更为致密的构件,其屈服强度为77.3 MPa,抗拉强度为235 MPa,达到原始焊丝75%的力学性能水平,平均显微硬度为52.7HV,断后伸长率最高达到了27%;增材构件拉伸断裂方式为韧性断裂,并在多道次多层往复堆积构件断口处发现其内部存在气孔。验证了电弧增材制造AZ31镁合金工艺的可行性。     

热处理对TC11钛合金室温力学性能的影响

通过光学显微镜、拉伸性能和冲击性能测试仪,研究TC11钛合金经过不同热处理后的显微组织和力学性能。结果表明,280 mm棒材坯料边缘部位室温性能波动与热变形过程中的摩擦力和温降有关;当固溶温度由940℃提高到970℃时,室温强度和塑性均出现了明显的下降,强度下降约50 MPa,延伸率的相对值下降约为8%;固溶温度由970℃升高到980℃时,强度提高约30 MPa,延伸率和断面收缩率均有所提高;时效时间对TC11钛合金室温拉伸性能影响不显著,但对室温冲击性能影响显著,当时效时间由4 h增加到8 h时,显微组织发生了明显的球化,长条状的初生α相数量显著降低,初生α相和次生α相均有所长大,导致冲击性能显著增强,提高了30.4~33.6 J,但室温拉伸强度和塑性变化不大。     

电弧增材制造航空钛合金构件组织及力学性能研究现状

航空航天领域通常将钛合金作为承力结构件使用,对其性能和可靠性都有很高的要求,大型结构件的整体化制造是实现这些需求的有效途径。电弧增材制造技术因效率高、成本低、致密度高,在制备大型结构件方面具有一定优势。综述了国内外电弧增材制造钛合金组织的研究现状,介绍了改变形核条件以及引入轧制、超声等外场辅助技术调控后所得的电弧增材制造钛合金组织。对电弧增材制造钛合金的拉伸性能和疲劳性能进行了综述,总结了拉伸性能和疲劳性能的特点及断裂的原因。最后,对航空航天用钛合金电弧增材制造的组织及力学性能的关系进行了分析,并且对两者的调控前景进行了展望。     

超声振动辅助铝/钢激光–MIG熔钎焊外观成形、组织以及拉伸性能研究

目的 利用超声振动改善铝/钢对接接头界面的微观结构,降低气孔缺陷并提高接头力学性能。方法 通过超声振动辅助激光–MIG焊接方法实现铝/钢异种金属连接,采用光学显微镜观察焊缝形貌,采用金相显微镜和扫描电子显微镜观察焊缝和界面微观结构,利用拉伸试验机测试接头的拉伸强度。结果 超声振动的施加提高了熔融金属的润湿铺展性能,减少了焊缝中的气孔缺陷,并降低了界面层金属间化合物的厚度。带有余高和去除余高的接头拉伸强度由未加超声的175 MPa和154 MPa分别提高到189 MPa和172 MPa。结论 利用超声振动的声流、空化效应有效改善了熔融金属的润湿铺展性能和界面微观结构,并在一定程度上消除了气孔缺陷,进而提高了接头的力学性能。     

TC4钛合金选区激光熔化与层间激光冲击强化复合工艺

目的 改善激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺成形的TC4合金的内部缺陷,提高疲劳寿命。方法 选用TC4钛合金为研究对象,提出了SLM结合层间激光冲击(3D-Laser Shock Peening,3D-LSP)与热处理的强化工艺,对复合制造工艺下的微观组织、内部缺陷和力学性能演变进行了研究,并建立了复合强化工艺制造样品的疲劳寿命模型。结果 在激光冲击影响区域内形成了0.2 mm深度的高幅值残余压应力,并在1 mm深度范围内改善了应力场,且显微硬度得到了提升,内部缺陷数量减少了36%,疲劳寿命提升了40%以上。结论 实现了SLM增材制造TC4钛合金的缺陷在线闭合、微观组织改性和疲劳寿命的提升,揭示了层间激光冲击对内部缺陷的闭合机理,为金属SLM复合增材制造的研究与应用奠定了理论基础。     

烧结温度对TC4合金的微观结构和力学性能的影响

将TiH₂、Al-V粉末压制成型后进行真空烧结,制备出Ti6Al4V(TC4)合金,使用XRD、金相和SEM断口形貌观测以及力学性能测试等手段对其表征,研究了烧结温度对合金力学性能的影响。结果表明：烧结样品由密排六方α-Ti和体心立方β-Ti双相组成,其形貌呈等轴、网篮或板条(片状、针状)状,随着烧结温度的提高和保温时间的延长等轴组织减少,片状组织和针状组织增加且其组织粗化,在1150℃烧结的样品具有较好网篮结构组织;用该方法可制备相对密度为96.9%~99.6%、抗拉强度为719.3~914.1 MPa、延伸率为6.2%~9.4%、硬度为313.2~364.8HV的TC4合金试样;在1150℃保温1.5 h的样品性能较好,其抗拉强度最高(914.1 MPa),对应的延伸率和硬度分别为7.6%和355.5HV;用纯TiH₂粉末烧结样品的断口呈韧性断裂;加入合金元素的样品其断口逐渐由韧性断口变为韧性和脆性混合的断口,其强度提高、延伸率下降。     

多道次ECAE动态成型Al-Mg-Si合金导线组织与性能

借助S4800扫描电子显微镜、Philips DM420透射电子显微镜、SANS CMT5105电子万能材料试验机和QJ48双臂直流电桥,研究了多道次ECAE动态成型Al-Mg-Si合金导线的组织与性能。结果表明:4道次ECAE动态成型可制备平均尺寸在10μm左右甚至更小的Al-Mg-Si合金导线晶粒。随着Mg、Si含量的增加,合金导线的抗拉强度增大,伸长率与等效导电率降低。经160~170℃/7h时效处理后,Al-0.59%Mg-0.59%Si合金导线的抗拉强度、伸长率和等效导电率分别为305.71~309.63 MPa,4.7%~5.4%和55.18%IACS~56.33%IACS,与目前国产Al-Mg-Si合金导线(295 MPa,52.5%IACS)相比,导电性能显著提高。     

退火处理对激光沉积制造TC4钛合金组织及力学性能影响EI北大核心CSCD

以TC4球形粉末为原料,采用激光沉积制造技术制备TC4钛合金厚壁件。通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等方法研究了退火处理对激光沉积制造TC4显微组织及力学性能的影响。结果表明:试样经α+β两相区退火处理后,显微组织为网篮组织,经β单相区退火后,组织转变为魏氏组织;退火试样力学性能仍存在各向异性:Z向试样强度较低,塑性较好,而XY向试样强度高,塑性较差,退火温度对试样的各向异性具有明显影响;XY向试样拉伸性能存在较明显的分散性;α+β两相区退火处理后两个方向上均为韧性断裂,β单相区退火处理后试样强度与塑性大幅下降,且XY向试样为脆性断裂。