电弧增材高氮钢-316L不锈钢成形异材交织结构

作     者：姚祥宏 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余进;周琦

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：交织结构 沉积单道 微观组织 力学性能 

摘      要：电弧增材制造以电弧为热源,焊丝为增添材料,快速直接成形致密度高、力学性能好的复杂结构件,具有生产周期短、高利用率、高效率等特点。本课题基于双丝PMIG焊接机器人,以高氮钢与316L不锈钢为研究对象,对增材工艺成形特性及宏观几何尺寸的控制进行分析,开展多道重叠堆积试验和增材工艺参数筛选,进行电弧增材成形异材交织结构的工艺研究。首先针对两种材料分别开展沉积单道成形特性工艺研究,确定了两种材料的增材工艺参数窗口,并探索了增材工艺参数对沉积单道宏观几何尺寸的影响规律。对于高氮钢沉积单道的几何尺寸,沉积速度对于宽度的影响大于送丝速度;沉积速度对于高度的影响略大于送丝速度。对于316L不锈钢沉积单道的几何尺寸,送丝速度对于宽度的影响远远大于沉积速度;沉积速度对于高度的影响大于送丝速度。接着进行了多道重叠堆积试验以及增材工艺参数筛选。分析高氮钢多道重叠堆积出现的缺陷,进一步缩小高氮钢增材工艺参数范围,随后对异材沉积单道几何尺寸、截面面积匹配总误差值进行分析,从而得到最适合用于增材成形异材交织结构的工艺参数,异材重叠堆积最佳道间距d1*=4.3mm,同材重叠堆积最佳道间距分别为d2*=4.2mm,d3*=4.4mm。然后对四种增材成形结构进行微观组织和力学性能分析。异材界面中高氮钢以柱状晶形态沿热流方向生长,316L不锈钢以树枝晶生长;重熔区的组织两次受热作用,两次改变生长方向。交织结构异材界面处,316L不锈钢硬度值变大,高氮钢硬度值变小。交织结构保持较高抗拉强度,延伸率大幅增长,塑性变形能力提高。对于交织结构,冲击两种材料的先后顺序造成吸收冲击功的能力不一样;交织结构内部材料分布不同、成分比例相同,侧面吸收冲击功的能力相近;软硬交织复杂部位正面、侧面冲击功相近,抗冲击能力最强。最后建立典型交织结构三维模型,设计分割层的材料成分比例,提出封闭行走路径减少起弧熄弧次数,提高交织结构局部和整体的成形精度,减少需要后处理加工浪费的材料,增材成形典型交织结构件达到具体几何尺寸要求。