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超声辅助对摆动激光熔丝增材制造2319铝合金沉积成形和显微组织的影响行为

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中国激光 2024年第10期 225-238页

作者：王燕霜张震吴世凯齐鲁工业大学(山东省科学院)机械工程学院齐鲁工业大学(山东省科学院)激光研究所

为解决高强铝合金激光增材制造过程中存在的孔洞缺陷、组织不均、晶粒粗大等难题，在摆动激光熔丝沉积的基础上引入超声能场是可行的抑制措施。搭建了超声辅助摆动激光熔丝增材制造试验平台，探究了超声功率、变幅杆压力、变幅杆输入位... 详细信息

为解决高强铝合金激光增材制造过程中存在的孔洞缺陷、组织不均、晶粒粗大等难题，在摆动激光熔丝沉积的基础上引入超声能场是可行的抑制措施。搭建了超声辅助摆动激光熔丝增材制造试验平台，探究了超声功率、变幅杆压力、变幅杆输入位置对2319铝合金沉积层形貌和显微组织的影响规律并对超声工艺参数进行了优化。结果表明：变幅杆压力对沉积宏观形貌具有显著影响，随着压力的增大熔池横截面形貌逐渐趋于上宽下窄；超声参数对单道沉积层的晶粒尺寸有着明显影响，随着超声功率的增加晶粒尺寸先减小后增大，当超声功率占比（超声波发生器的输出功率占其最大输出功率的百分比）为40%时晶粒尺寸达到最小值70.9μm。超声输入位置在熔池之后时晶粒细化效果更好，且在-10 mm处晶粒尺寸同组最低，只有80.9μm。当变幅杆压力处于40～100 N范围内时晶粒的细化效果比较明显，晶粒尺寸在110～130μm之间。观察多层沉积结果可知，超声的引入使得多层样品的平均晶粒尺寸降低了66.3%、增加了Al2Cu强化相的含量并且抑制了Al的滑移面生长趋势。超声在熔池中传递所产生的声流效应和空化效应是使沉积层成分均匀、缺陷减少和组织细化的主要原因。

关键词：激光技术摆动激光超声辅助 2319铝合金增材制造显微组织

沉积路径对激光诱导MIG增材2319铝合金的影响

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中国激光 2022年第14期49卷 133-141页

作者：靳佩昕张兆栋马紫成宋刚刘黎明大连理工大学材料科学与工程学院辽宁省先进连接技术重点实验室辽宁大连116024

采用基于激光诱导熔化极惰性气体保护(melt inert gas,MIG)电弧焊的增材技术,研究了插补沉积和十字交叉沉积两种不同沉积路径对2319铝合金块体组织性能的影响。结果表明:插补沉积的晶粒细小,柱状晶生长方向一致;十字交叉沉积的晶粒粗大... 详细信息

采用基于激光诱导熔化极惰性气体保护(melt inert gas,MIG)电弧焊的增材技术,研究了插补沉积和十字交叉沉积两种不同沉积路径对2319铝合金块体组织性能的影响。结果表明:插补沉积的晶粒细小,柱状晶生长方向一致;十字交叉沉积的晶粒粗大,柱状晶生长方向杂乱无章。在力学性能上,插补沉积和十字交叉沉积的平均硬度分别是97.9 HV和89.2 HV,十字交叉沉积下试件的整体硬度分布更均匀。插补沉积试件的强度和塑性具有各向异性,十字交叉沉积试件的强度和塑性具有各向同性。其中,插补沉积试件沿X方向和Y方向的抗拉强度分别为233.58 MPa和275.52 MPa,延伸率分别为6.34%和11.12%。十字交叉沉积试件在XY平面的极限抗拉强度为251.33 MPa,延伸率为7.68%。研究表明,对于铝合金块体的激光诱导MIG增材技术制造,插补沉积试件在Y方向上的整体组织性能优于十字交叉沉积试件。

关键词：激光技术激光诱导电弧路径增材制造 2319铝合金组织性能扫描电镜

钇含量对电弧增材制造2319铝合金组织与性能的影响

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焊接学报 2022年第7期43卷 49-56,I0005,I0006页

作者：郝婷婷李承德王旭翟玉春常云龙沈阳工业大学沈阳110870 中国兵器科学研究院宁波分院宁波315103 江西理工大学赣州341000 东北大学沈阳110006

以不同钇含量的2319铝合金丝材为原材料,采用基于冷金属过渡的电弧增材制造工艺(wire arc addictive manufacturing,WAAM)制备2319铝合金,研究了钇含量对WAAM 2139铝合金的显微组织及力学性能的影响.结果表明,添加Y元素可明显细化直接... 详细信息

以不同钇含量的2319铝合金丝材为原材料,采用基于冷金属过渡的电弧增材制造工艺(wire arc addictive manufacturing,WAAM)制备2319铝合金,研究了钇含量对WAAM 2139铝合金的显微组织及力学性能的影响.结果表明,添加Y元素可明显细化直接沉积态WAAM 2319铝合金的晶粒,细晶强化及第二相强化作用显著,间接影响了时效过程析出的二次析出相θ′的数量,同时,未对直接沉积态WAAM 2319铝合金中气孔缺陷的大小、分布产生显著影响.随着钇含量的增加,合金凝固过程含钇化合物在晶粒交汇处偏析程度增大,使得合金成分过冷度减小,导致WAAM 2319铝合金的晶粒尺寸呈现先减小后增大的趋势,抗拉强度和屈服强度呈现出先上升后下降趋势,断后伸长率逐渐下降.当钇含量为0.15%时,WAAM 2319铝合金表现出最优的力学性能,即抗拉强度484 MPa、屈服强度348 MPa和断后伸长率10.5%.

关键词：电弧增材制造 2319铝合金钇显微组织力学性能

超声辅助CMT电弧增材2319铝合金的组织和性能研究

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热加工工艺 2023年

作者：郎旭杰彭勇王克鸿南京理工大学材料科学与工程学院

采用CMT电弧增材制造系统制备2319铝合金单道多层薄壁墙体，研究超声辅助对该薄壁墙体组织和性能的影响。通过对比实验可以发现，成形件的组织由α(Al)基体和Al2Cu相组成，施加超声辅助后2319铝合金晶粒由原来的145μm降低到78μm，尺... 详细信息

采用CMT电弧增材制造系统制备2319铝合金单道多层薄壁墙体，研究超声辅助对该薄壁墙体组织和性能的影响。通过对比实验可以发现，成形件的组织由α(Al)基体和Al2Cu相组成，施加超声辅助后2319铝合金晶粒由原来的145μm降低到78μm，尺寸减小了46.2%，硬度和抗拉强度相对于未施加超声辅助时分别提高了6.87%和10.8%，气孔率及气孔直径也明显降低。超声辅助前后的拉伸断裂方式均为韧性断裂，未加入超声时断口处出现许多微米级气孔，而施加超声后的韧窝更小、更深、更均匀。

关键词：增材制造 2319铝合金超声辅助

固溶处理对CMT电弧增材制造2319铝合金组织与性能的影响

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热加工工艺 2022年第16期51卷 153-156页

作者：莫春立刘春宇赵磊李贞尚常云龙沈阳航空航天大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110136 沈阳工业大学材料科学与工程学院辽宁沈阳110870

采用CMT电弧增材制造技术打印了2319铝合金构件,采用差式扫描量热分析(DSC)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和万能拉伸试验机等方法研究了固溶处理对电弧增材制造铝合金的显微组织与力学性能的影响。结果表明:试验用合金过烧温度约为55... 详细信息

采用CMT电弧增材制造技术打印了2319铝合金构件,采用差式扫描量热分析(DSC)、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和万能拉伸试验机等方法研究了固溶处理对电弧增材制造铝合金的显微组织与力学性能的影响。结果表明:试验用合金过烧温度约为550.5℃,随着固溶温度的升高,抗拉强度呈先上升后下降的趋势。固溶温度一旦超过过烧温度时,伸长率迅速下降。随着固溶时间的增加,抗拉强度和伸长率都逐渐上升。在540℃/5 h的固溶条件下,T6时效态后的合金抗拉强度为499 MPa,伸长率为17.52%,相比沉积态,合金的抗拉强度提高了约114%,伸长率下降了约14%。

关键词：电弧增材制造 2319铝合金固溶处理显微组织力学性能

摆动激光熔丝沉积2319铝合金工艺优化及组织性能研究

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摆动激光熔丝沉积2319铝合金工艺优化及组织性能研究

作者：崔旭建北京工业大学

学位级别：硕士

Al-Cu、Al-Li等高强铝合金因比强度高、密度小被广泛的应用于航空航天、高速列车、新能源汽车等领域,传统的铝合金加工方法已经难以满足更高的要求,因此急需开发新的加工工艺。增材制造作为一种新型加工手段被广泛的应用在铝合金的制造... 详细信息

Al-Cu、Al-Li等高强铝合金因比强度高、密度小被广泛的应用于航空航天、高速列车、新能源汽车等领域,传统的铝合金加工方法已经难以满足更高的要求,因此急需开发新的加工工艺。增材制造作为一种新型加工手段被广泛的应用在铝合金的制造上,目前铝合金的增材制造以SLM和WAAM为主,SLM精度高,更适合制造小部件;WAAM沉积效率高、工艺稳定,适合制造大型部件,但是存在气孔率高、热输入量大的问题。激光沉积能够有效减少热输入量,但是容易出现工艺不稳定、气孔等问题。为减少沉积过程中的热累积,改善常规激光沉积的缺陷和困难,提出了摆动激光熔丝沉积的方法。以ER2319焊丝为材料,经工艺优化获得了良好的沉积工艺参数,制备了表面光滑平整、气孔率极低的2319铝合金沉积样块。在不同的光斑摆动模式下,研究了工艺参数对成形的影响,探究了沉积样品的气孔分布和组织性能,研究了热处理对样品组织和性能的影响规律。结果表明:对比无摆动激光,光斑的摆动能够降低沉积过程中的气孔,有效改善成形和提高沉积工艺的稳定性,获得成形良好的沉积道次。在不同的光斑摆动模式中,圆形摆动和“∞”形摆动获得的沉积道次表面最为优良,没有发现气孔。无摆动单位体积热输入为27.35 J/mm,圆形摆动的单位体积热输入量为12.40J/mm,“∞”形摆动的热输入量为20.82J/mm。圆形摆动的热输入最小,有利于获得成形和性能更好的样品。探究了搭接率对成形的影响,50%的搭接率成形最平整,有利于多层沉积。随着沉积层数的增加,气孔的数量增加,沉积成形逐渐稳定。优选圆形摆动、50%搭接率和0.7mm的光斑抬升量的条件进行后续制造。单层样品在搭接处组织粗大,从底部到顶部由柱状晶向胞状晶转变。多层样品在沉积单元内部以柱状晶为主,底部和内部为等轴晶层,沉积层的热影响范围为三层,约2.2mm。沉积试块尺寸为120mm×32mm×10mm,共沉积40层,每层6道次。样品表面光滑平整,没有明显的宏观缺陷。气孔率低于1%,多位于沉积单元与先进层的界面处。沉积单元内部以柱状晶为主,在底部和柱状晶间存在等轴晶层,顶部柱状晶有粗化和向等轴晶的趋势。晶界处析出大量第二相,呈点状、棒状和网状分布。沉积态样品的显微硬度均值为87HV,不同道次的硬度值存在差异。抗拉强度为245-265MPa,延伸率为12.6%,没有表现出明显的各向异性。拉伸断口为微孔聚合型断裂为主的复合型断裂形式。经过热处理,晶粒形态没有较大改变,内部等轴晶层消失,晶粒尺寸长大约20%。θ相大量溶解,改善了元素偏析,提高了沉淀强化作用。生成的θ′相呈针状和短棒状弥散分布。显微硬度提升至153HV,提升76%,不同道次的差异被消除。抗拉强度为425-440MPa,延伸率为10%,强度提升50%以上。拉伸断口为解理断裂为主的复合型断裂形式。相较WAAM所得沉积样品经相同热处理后,抗拉强度提升约10%,相比2219-T6抗拉强度的415MPa约有4%提升,强韧性明显改善。

关键词：摆动激光丝材沉积 2319铝合金热处理显微组织力学性能

2319铝合金TIG电弧增材制造的微观组织及性能调控研究

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2319铝合金TIG电弧增材制造的微观组织及性能调控研究

作者：张志来南京航空航天大学

学位级别：硕士

电弧增材制造因为成形效率高、设备成本低、成形零件尺寸不受限制等特点而成为航空领域各种大型框架结构件增材制造成形的重要发展方向。然而,由于电弧增材制造技术逐层堆积的成形特点造成成形零件内部组织不均匀、气孔、残余应力和微... 详细信息

电弧增材制造因为成形效率高、设备成本低、成形零件尺寸不受限制等特点而成为航空领域各种大型框架结构件增材制造成形的重要发展方向。然而,由于电弧增材制造技术逐层堆积的成形特点造成成形零件内部组织不均匀、气孔、残余应力和微裂纹的产生,进而影响成形零件的强度、韧性和疲劳强度等力学性能。为了提高电弧增材制造铝合金零件的性能,本课题研究了不同的电弧增材工艺参数、热处理以及超声冲击对沉积态2319铝合金宏观形貌、显微组织和力学性能的影响,并探讨相关机理。主要内容如下:研究了电弧增材制造工艺参数对TIG电弧增材制造零件性能的影响规律。开始沉积时,底层使用大电流预热有利于得到更好的焊道形貌。通过正交实验分析,送丝速度对成形零件的内部气孔的产生影响较大,扫描速度和送丝速度相比电流值对成形零件的抗拉强度影响较大。通过回归方程获得单道多层试样的沉积层熔宽和层高的预测模型,预测误差在5%以下。TIG增材制造2319铝合金经过T6(固溶处理+人工时效)热处理后,2319铝合金的性能有了很大的提升。固溶温度设置在530℃,保温时间1h,人工时效温度设置在175℃,保温18h,T6态合金力学性能相比沉积态抗拉强度和屈服强度提升了60.3%和150.6%,延伸率下降了5.1%。通过断口形貌中的气孔分析,热处理对沉积试样中的气孔的影响不大。在TIG电弧增材制造过程中对成形件逐层施加超声冲击作用,超声冲击扫描速度的降低或者冲击次数的增加,都提高单位长度焊道获得的冲击能量。超声冲击扫描速度为2mm/s,冲击三次相比未冲击试样的抗拉强度提升了10.21%,屈服强度提升了32.51%,延伸率降低了15.6%。经过超声冲击后,试样内部气孔数量大大减少,且距离沉积层顶层越近的气孔塑性变形越大,气孔闭合程度也越高。从微观上看,超声冲击作用破碎了顶部圆弧区的树枝状晶粒,树枝晶开始向等轴晶转化,晶粒尺寸相比沉积试样显著减小,同时晶内和晶界上出现了大量的第二相颗粒。

关键词： 2319铝合金 TIG电弧增材制造热处理微观组织超声冲击

2319铝合金电弧增材制造尺寸预测与气孔控制

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2319铝合金电弧增材制造尺寸预测与气孔控制

作者：闫保山沈阳大学

学位级别：硕士

铝合金因为质量轻、高强度和高耐腐蚀性得到了航空航天业的广泛应用。传统铝合金加工采用数控机床加工的方式,即“减材制造”,不仅造成了母材的浪费,而且对于形状复杂工件的加工也存在着诸多困难,即使具备加工条件,也会因为加工周期过... 详细信息

铝合金因为质量轻、高强度和高耐腐蚀性得到了航空航天业的广泛应用。传统铝合金加工采用数控机床加工的方式,即“减材制造”,不仅造成了母材的浪费,而且对于形状复杂工件的加工也存在着诸多困难,即使具备加工条件,也会因为加工周期过长而造成方案不能得到实施。本论文将2319铝合金作为研究对象进行“电弧增材制造”,作为铝合金增材制造的理论探索,日后可以用来指导生产实践。本次试验选用直径为1.6mm的2319铝合金焊丝,长为200mm宽为200mm高为5mm的5052铝合金基板,采用福尼斯公司生产的CMT焊机进行电弧增材试验,主要从尺寸预测和气孔控制两个方面对进行了试验研究。首先用二次通用旋转组合设计的方法,进行送丝速度(2.5-7mm/min)、焊接速度(500-1800mm/min)、保护气流量(15-20L/min)三因素全实施单层单道增材试验,基底层增材长度为130mm,共增材20个试样,预测基底层的宽度尺寸与高度尺寸;后在加入层间等待时间(40-180s)的情况下,通过四因素二分之一实施设计进行多层单道往复增材试验,每个样品增材20层,长度也为130mm,也是增材20个试样,预测多层单道增材总宽度和高度尺寸,并分析了增材参数对尺寸的单一、交互影响规律。由于在前期增材试验时,发现基板和增材基体变形比较严重,所以又对增材冷却阶段的温度场与应力场进行了数值模拟,分析出了变形出现最大位置,更改了基板的固定方式,有效抑制了变形;最后通过控制变量法,研究了送丝速度、焊接速度、保护气流量三个参数对宏观工艺气孔的数量、尺寸、分布的影响规律,并对微观氢气孔做了简要分析。经研究发现,基底层预测方程的宽高平均预测误差分别为0.31mm、0.26mm,多层单道增材的预测方程总宽高平均预测误差分别为0.27mm和1.1mm,预测结果较好。其中送丝速度对增材宽度和高度都会产生正向影响,焊接速度对增材宽度和高度都产生负向影响,但送丝速度要比焊接速度对尺寸的影响效果更明显。保护气流量对增材宽度影响呈开口向下的抛物线形式,层间等待时间会对增材宽度有反向的影响,保护气流量与层间等待时间对增材高度的影响趋势恰好与其对宽度的影响趋势相反;从温度场与应力场模拟结果可以看出,二十层增材后,变形最大值为3.299mm,为了保证成型精度与尺寸测量精度,需要由四角点固定方式更改为八点固定方式;在气孔问题研究中发现,增大送丝速度会提高增材件内的气孔数量与直径,增大焊接速度时气孔的数量减少明显,当保护气流量足以保护增材时,在一定范围内调整保护气流量对气孔影响不是特别大,在满足工艺要求的情况下,可以通过低送丝速度配合高焊接速度来抑制气孔的生成。

关键词： 2319铝合金尺寸预测温度场应力场

2319铝合金点阵结构电弧熔丝增材制造工艺与性能研究

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2319铝合金点阵结构电弧熔丝增材制造工艺与性能研究

作者：李勇杰华中科技大学

学位级别：硕士

铝合金点阵结构具有轻质、比强度高、隔热、吸能减震和消音降噪等诸多优点,被广泛应用于航空航天领域。现有的点阵结构制造方法对材料和结构方面均有严格要求,使制造点阵的材料与结构设计自由度受到了限制,而电弧熔丝增材制造作为一种... 详细信息

铝合金点阵结构具有轻质、比强度高、隔热、吸能减震和消音降噪等诸多优点,被广泛应用于航空航天领域。现有的点阵结构制造方法对材料和结构方面均有严格要求,使制造点阵的材料与结构设计自由度受到了限制,而电弧熔丝增材制造作为一种以电弧为热源,熔化金属丝材逐层堆积金属实现实体构件成形的方法,适用于任何金属材料、复杂形式点阵结构的制备。本文研究了2319铝合金点阵结构的电弧熔丝增材制造工艺和性能,并增材制造出点阵结构示范件。首先,研究了电弧增材制造的工艺参数对点阵结构单元杆件结构参数(直径和角度)的影响。通过控制增材制造过程中的熔滴体积与熔滴个数可制备不同直径的点阵单元杆件,其中熔滴的体积大小取决于电源脉冲波形中的电流、电压和脉冲周期,电弧熔丝增材制造出直径为2.50-7.00mm的单元杆件,其相对误差在2.0%以内。通过控制增材制造过程中电弧枪层间的提升量与偏移量可制备不同角度的点阵单元杆件,电弧熔丝增材制造出角度为15°-90°的单元杆件,相对误差不超过4.0%。进一步,制定了点阵结构的电弧熔丝增材制造策略,制备出了铝合金点阵结构示范件,分析了其力学性能和微观组织特征。根据结构特征,将点阵结构划分为两个部分:单元杆件部分和节点部分,分别制定各部分相应的增材制造策略。通过控制点阵结构单元杆件的直径与角度,按照点阵结构增材制造策略制备出4×14×3单元金字塔点阵结构,从宏观形态上看,各点阵结构单元的拓扑结构与理论模型相差不大。电弧熔丝增材制造2319铝合金点阵结构单元杆件的抗压强度为58.53MPa,强度较低,需进行热处理强化。其微观组织呈现层状分布,将其分为层中和层间两个区域,层中区域微观组织为等轴晶,层间区域微观组织并不是十分规律,主要为树枝晶。第二相为θ-AlCu相,与α-Al以共晶组织形式析出,同时针状沉淀相θ’很少导致了材料的强度不足。最后,通过正交试验的方法研究热处理工艺(包括固溶温度、固溶时间、时效温度以及时效时间)对2319铝合金点阵结构的性能与组织的影响,得到了最佳T6热处理工艺规范:固溶温度为530℃、固溶时间为60min、时效温度为175℃、时效时间为24h,在最佳热处理工艺下电弧熔丝增材制造2319铝合金点阵结构的抗压强达到76.08MP,相比于热处理前点阵结构的抗压强度增加了30.0%。

关键词：点阵结构 2319铝合金电弧熔丝增材制造成形工艺热处理微观组织