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电弧增材成形单道两层熔积过程中的晶粒生长模拟

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机械工程学报 2018年第22期54卷 86-94页

作者：周祥曼田启华杜义贤柏兴旺张海鸥三峡大学机械与动力学院宜昌443002 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室(三峡大学) 宜昌443002 南华大学机械工程学院衡阳421001 华中科技大学机械科学与工程学院武汉430074

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝... 详细信息

晶粒生长的数值模拟是研究复杂微观组织演变的重要手段,现有的研究较少涉及电弧增材成形中晶粒生长的数值模拟。采用有限元和元胞自动机方法建立了碳钢电弧增材成形过程的宏观传热和微观组织演变的耦合模型,模拟单道第两层熔积的熔池凝固过程中晶粒动态演变过程。模拟结果显示,单道第一层熔积熔池凝固过程中晶粒从熔合线位置形核后向熔池中心生长,在温度梯度方向与枝晶臂优先生长方向的共同作用下,枝晶呈现竞争生长,晶粒优先生长方向与温度梯度方向一致的晶粒生长更快,部分晶粒生长被抑制,最终形成交错、完全粗大的柱状晶组织,枝晶之间出现溶质富集的现象;单道第二层熔积的晶粒在上一层粗大柱状晶基础上形核并生长,随后的生长过程与第一层类似,第二层熔积时熔池温度梯度方向的改变导致晶粒的主要生长方向与第一层之间有一定夹角。与模拟相同成形工艺的成形试样金相照片验证了模拟结果。研究结果可为电弧增材成形微观组织控制以及后续工艺规划提供依据和参考。

关键词：电弧增材成形单道两层熔积晶粒生长数值模拟

纵向稳态磁场对电弧增材成形零件表面质量和性能影响的研究

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机械工程学报 2018年第2期54卷 84-92页

作者：周祥曼田启华杜义贤张海鸥王桂兰梅飞翔水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室(三峡大学) 宜昌443002 三峡大学机械与动力学院宜昌443002 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室武汉430074 华中科技大学模具技术国家重点实验室武汉430074

外加磁场作用是影响电弧增材成形过程与成形零件性能的有效方式之一。为了研究外加纵向稳态磁场对低碳钢电弧增材成形零件表面质量和力学性能的影响,搭建基于GMAW的纵向稳态磁场辅助电弧增材成形装置,采用形貌分析、金相观测、性能测试... 详细信息

外加磁场作用是影响电弧增材成形过程与成形零件性能的有效方式之一。为了研究外加纵向稳态磁场对低碳钢电弧增材成形零件表面质量和力学性能的影响,搭建基于GMAW的纵向稳态磁场辅助电弧增材成形装置,采用形貌分析、金相观测、性能测试的方法对比分析有/无外加磁场作用下成形试样表面质量、微观组织及力学性能差异。结果表明:相比普通熔积,外加磁场作用下,单焊道宽高比增大,形成宽而平的焊道横截面形貌,从而有效地改善搭接精度并提高熔积层表面质量,电磁搅拌作用还能够细化晶粒,减少熔积缺陷以及多道搭接区域的晶粒分布的不均匀性。此外,外加磁场作用还改变了铁素体和珠光体的占比和分布形态。力学性能测试显示,磁场作用使得成形样件在熔积方向和搭接方向的力学性能有一定的提升,力学性能的各向异性减小。

关键词：纵向稳态磁场电弧增材成形微观组织力学性能

外加横向磁场作用电弧增材成形过程中的传热传质仿真

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机械工程学报 2018年第12期54卷 193-206页

作者：周祥曼田启华杜义贤柏兴旺张海鸥三峡大学机械与动力学院水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室(三峡大学) 南华大学机械工程学院华中科技大学机械科学与工程学院

为了揭示外加横向磁场对电弧增材成形过程中电弧和熔池传热传质以及成形件微观组织影响的内在机理,建立基于GMAW电弧增材成形过程中电弧和熔池的弱耦合数值模型,通过数值模拟对比分析了有/无外加横向磁场作用下熔池电磁力分布、电弧和... 详细信息

为了揭示外加横向磁场对电弧增材成形过程中电弧和熔池传热传质以及成形件微观组织影响的内在机理,建立基于GMAW电弧增材成形过程中电弧和熔池的弱耦合数值模型,通过数值模拟对比分析了有/无外加横向磁场作用下熔池电磁力分布、电弧和熔池传热传质的差异,发现横向磁场作用使电弧向熔池后方偏转,使熔池发生单向强制对流并驱动熔融金属和热量向熔池后方运动,从而更加直接地冲刷熔池结晶面。由此预测横向磁场作用能降低熔池凝固过程中枝晶前沿温度梯度和溶质浓度,提高枝晶前沿的成分过冷,使得靠近熔池中心的枝晶前端生长加速并细化晶粒。相同工艺条件的对比试验表明:相比无外加磁场的普通熔积,横向磁场作用下熔池底部等轴晶区域减小,整个结晶面上细密的胞状枝晶区域面积增大,验证了数值模拟的预测。研究结果可为外加磁场在电弧增材成形微观组织控制中的应用提供依据和参考。

关键词：电弧增材成形横向磁场传热传质

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筒形件电弧增材成形的残余应力模拟分析

焊接技术 2014年第5期43卷 7-10,1页

作者：王桂兰侯军华张海鸥梁养民王福平华中科技大学材料学院湖北武汉430074 华中科技大学机械学院湖北武汉430074 西安航空动力股份有限公司陕西西安710043

基于ANSYS建立了三维有限元模型,采用APDL函数控制单元沿设定轨迹的生死,研究了3种环形路径和2种基板对残余应力的影响,比较分析了不同条件下残余应力及其分布规律。结果表明:同向路径的应力水平最低,加槽基板能够有效地降低残余应力,... 详细信息

基于ANSYS建立了三维有限元模型,采用APDL函数控制单元沿设定轨迹的生死,研究了3种环形路径和2种基板对残余应力的影响,比较分析了不同条件下残余应力及其分布规律。结果表明:同向路径的应力水平最低,加槽基板能够有效地降低残余应力,底部第一主应力平均减少29.86%。基板变形试验与模拟结果吻合,证明了模型的正确性。

关键词：电弧增材成形残余应力有限元模拟成形路径基板形状

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镁合金CMT电弧增材成形组织性能研究

镁合金CMT电弧增材成形组织性能研究

作者：王杰中北大学

学位级别：硕士

镁合金由于其优异的性能广泛应用于3C、汽车、航空航天等领域。镁合金的传统成形方法主要为铸造以及挤压成形,在镁合金铸造成形时,往往会有粗粒、收缩腔、夹渣物等缺陷的出现,降低了镁合金部件的机械性能,同时挤压成形由于需要在较高温... 详细信息

镁合金由于其优异的性能广泛应用于3C、汽车、航空航天等领域。镁合金的传统成形方法主要为铸造以及挤压成形,在镁合金铸造成形时,往往会有粗粒、收缩腔、夹渣物等缺陷的出现,降低了镁合金部件的机械性能,同时挤压成形由于需要在较高温度下进行,难以快速成形复杂的镁合金部件,所以传统镁合金的成形方法已经难以满足复杂大规模镁合金部件整体成形的需要,极大的限制了镁合金的发展,因此,亟待一种新的成形方法来生产复杂镁合金部件。增材制造由于其逐层堆积的特性极其适合成形复杂结构部件,它的出现为镁合金的成形提供了一种更优的选择。然而,使用选择性激光熔化技术来成形镁合金不仅沉积效率低,并且受成形尺寸的限制,此外,由于镁化学反应性较高和粉末的表面积更高,增加了成形时的危险性。电弧增材成形使用丝材来成形结构部件,不仅提高了成形效率,而且极大地降低了成形的危险性。本文以AZ31以及Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金丝材为研究对象,使用电弧增材成形技术将上述丝材沉积得到完整的沉积件,研究镁合金沉积件组织的演变规律;进而建立工艺参数-显微组织-力学性能间的映射关系,揭示电弧增材成形过程的凝固行为特点,得到电弧增材成形AZ31以及Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的强化机制;在此基础上,采用第一性原理计算方法研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金内部MgY对基体中镁原子的形核影响并计算了其界面结合强度;另外,分析了不同热处理机制对Mg-Gd-Y-Zn-Zr沉积件的组织形貌特征、析出相分布、晶粒取向以及织构强度的影响。主要研究结果如下:(1)研究了AZ31镁合金沉积件增材-基材界面结合区以及增材区的组织与性能。由于在增材制造过程中热源下方经历循环往复受热,增材区纵截面上有明显的不均匀特征,从下端到上端晶粒尺寸从4.27μm增加到9.51μm。同时成形AZ31镁合金由α-Mg、β-MgAl与η-AlMn组成,其中,β-MgAl相沿晶界分布,η-AlMn相在α-Mg基体上弥散分布。横截面的纤维织构强度比纵截面更高,使其力学性能各向异性更强。同时,增材区纵截面从上端到下端硬度从74.22 HV增加到81.46 HV。成形AZ31镁合金沉积件在垂直方向的抗拉强度为286.47 MPa,其拉伸率为15.89%,远大于铸造、挤压成形AZ31镁合金的极限抗拉强度。(2)研究了Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金沉积件增材区-基体界面结合区和增材区的显微组织和力学性能。沉积件的微观结构表现出明显的层状特征,在每一层沉积金属内部下端相较于上端,较高的冷却速率导致下端的稀土元素过饱和。同时在整个沉积件内部由于电弧增材成形多重热循环的影响,析出相从下端到上端逐渐减少。由于电弧对基材区的热影响,使得基材区表面部分析出相由18R-LPSO相向14H-LPSO相转变。沉积件沿行进方向的极限抗拉强度为227.27 MPa,延伸率为8.08%,与铸造Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金相比,沉积样品的抗拉强度以及拉伸率分别提高了9.79%和83.64%。(3)使用第一性原理计算了Mg、MgY材料性能,分析了其能带结构和态密度。研究了Mg/MgY界面的界面黏附功和界面结合能,讨论成键和界面结合强度,并进行了形核分析。模型界面结合强度大于α-Mg/Mg熔体之间的界面能,但其仍然可以通过引入点阵错配,将部分界面能释放,使得MgY成为α-Mg的形核基底。(4)研究了固溶时效处理对电弧增材成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金沉积件微观组织演变及力学性能的影响。随着固溶时间的增加,晶界变得明显,并且有明显的晶粒长大现象。沉积样品在固溶时间超过8 h后硬度值会有所下降。随着时效时间的而增加,新析出的细小颗粒状相的数量有较大的增加。时效处理时间达到12 h时,在晶粒内部出现了贯穿晶粒内部的层片状LPSO相,并且分布在晶粒内部的细小颗粒状相转变成为了LPSO相。在520℃×4 h+220℃×12h的热处理条件下硬度值最高达到了84.36 HV,此时,沉积样品内部晶粒最小,并且内部存在较多的层片状LPSO相。(5)研究了热处理对电弧增材成形Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金沉积件晶粒取向以及织构的影响。热处理使得沉积样品的晶界移动获得了足够的驱动力,使得晶粒长大。固溶时效热处理后样品小角度晶界向大角度晶界转变,表明发生大量位错回复来加强稀土织构成分。热处理后晶粒长大时具有择优取向,使得与其取向相近的晶粒长大时朝某一处织构处倾斜,导致织构组分更加集中,其织构强度也更高。此外,热处理有效减少了沉积样品内部位错以及内应力,可以有效提升材料的塑性。

关键词： AZ31镁合金 Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金电弧增材成形组织演变力学性能