AZ61镁合金CMT电弧熔丝增材制造工艺及性能研究

作     者：樊慧璋 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张新戈

授予年度：2023年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 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：AZ61镁合金 冷金属过渡电弧增材制造 工艺参数 成型效果 显微组织 力学性能 热处理 

摘      要：镁合金具有比强度高、弹性模量大、散热快、减震性强以及电磁屏蔽性好等优点,在汽车、轨道交通、航空航天和医疗领域具有广阔的应用前景。目前,为了进一步实现轻量化、高性能的目标,生产大尺寸、复杂结构的镁合金构件是重要趋势。镁合金复杂结构件通过增材制造的方式资源浪费最小、能源使用最少。镁合金可以采用激光粉末床融合、搅拌摩擦、电弧熔丝等进行增材制造,其中冷金属过渡电弧熔丝增材制造技术(CMT-WAAM)由于热输入较低,能有效避免镁合金在增材制造过程中氧化、烧损等问题,是最适合镁合金增材制造的技术。本课题以目前应用较为广泛的AZ61镁合金为研究对象,对其CMT-WAAM工艺、组织及性能进行系统研究。首先,开展AZ61镁合金成型工艺研究,分析了沉积电流、沉积速度、沉积角度和预热温度对单道单层成型的影响规律。结果表明,当沉积电流为130 A、沉积速度为0.4 m/min、沉积角度小于90°、预热温度为200℃时,单道单层沉积过程稳定、沉积道光滑、飞溅较小、无咬边现象,具有良好的成型特征和组织结构。其次,进行了单道多层成型工艺研究,分析了关键工艺参数(沉积电流、沉积速度、沉积角度、层间停留时间)对成型件宏观形貌、微观组织和力学性能的影响规律。当沉积电流为130 A、沉积速度为0.4 m/min、沉积角度为90°、层间停留时间为1 min时,表面平整度好,尺寸精度高,成型效果最佳。CMT-WAAM镁合金的微观组织由α-Mg基体以及α-Mg+β-MgAl的共晶组织构成,工艺参数主要影响共晶组织的形态,形态在网状、长条状和块状之间转变。当沉积电流为130 A、沉积速度为0.4 m/min、沉积角度为110°、层间停留时间为1 min时,成型件的拉伸性能最佳,水平方向上抗拉强度和延伸率分别为228 MPa、22.1%,垂直方向上分别为224 MPa、18.4%,且各工艺参数下拉伸性能未表现出明显的差别。采用上述性能较佳的成型工艺参数,进行了单道多层倾斜薄壁增材制造试验,分析倾斜角度对成型件宏观成形、微观组织和力学性能的影响规律。倾斜角度为10°、20°、30°时,成型件的表面平整度好、尺寸精度高。倾斜角度30°为倾斜角度极限,此时水平方向和垂直方向的抗拉强度分别保持在未倾斜时的96%和93%,因此CMT-WAAM技术具有制造复杂镁合金构件的潜力。最后,研究了AZ61镁合金CMT-WAAM成型件的T4(固溶处理)和T6热处理(固溶处理+时效处理)工艺。T4热处理采用一段式固溶处理,固溶处理2h效果最佳,微观组织中α-Mg+β-MgAl的共晶组织完全固溶到α-Mg基体中,组织中残留着弥散分布的AlMn颗粒相,此时水平方向的抗拉强度和延伸率分别为245 MPa、20.9%,垂直方向的抗拉强度和延伸率分别为244 MPa、25.3%。增材制造的AZ61镁合金在T6热处理后,拉伸性能优于T4热处理,当固溶时间2 h+时效时间2 h时,拉伸性能最佳:水平方向的抗拉强度和延伸率分别为258MPa、22.5%,垂直方向的抗拉强度和延伸率分别为255 MPa、20.4%。AZ61镁合金增材制造后进行T6热处理可进一步提升性能,强化机制主要以析出强化为主。