5183铝合金TIG增材制造数值模拟及微观组织分析

摘要

Al-Mg系合金属于防锈铝合金，其具有密度小、力学性能好、耐蚀性和焊接性优异的特征，广泛应用于航空、船舶、车辆等工业领域，其传统的加工制造方式一般为冲压、锻造、切削等，存在着成本高、材料浪费严重、产品周期时间长等缺点。逐渐兴起的电弧增材制造技术采用逐层沉积的方式实现零件的近净成型。因此本文对5183铝合金进行TIG增材制造，并针对制造过程热循环特征、等效应力场、成型零件的组织及力学性能进行重点研究。
　　热循环是决定组织的最重要因素，本文采用数值模拟中的有限元分析法对制造过程热循环进行模拟，首先研究单一薄壁件不同沉积层经历的热循环特征，分析重熔和后热作用的规律；其次分析熔池中沉积层宽度方向、沉积层高度方向、沉积层方向的温度梯度大小，发现沉积层高度方向温度梯度最大，沉积层方向最小；然后对熔池凝固过程中固-液界面处温度梯度的变化规律进行研究，发现温度梯度是逐渐减小的。最后对比成型宽度分别为4mm、7mm和10mm的零件所经历的热循环特征及温度梯度，发现随成型宽度增加，沉积层经历重熔次数增加、温度梯度减小。
　　薄壁件顶部、中部和底部的组织分别具有不同的特征。顶部主要为细小的等轴树枝晶、中部为等轴晶和柱状晶交替出现、底部为短小柱状晶。随成型宽度的增加，在温度梯度和结晶速度共同作用下，其组织特征又有所不同。析出相呈弥散点状分布，主要为Mg2Al3，还有少量的MnAl6和FeAl3相。对性能研究发现，薄壁件不存在力学性能的各向异性，拉伸试验结果显示，抗拉强度可达到成份相近的5083铝合金的86％-94%，延伸率是普通5083铝合金的1.3-1.8倍。然后对不同成型宽度薄壁件性能进行对比发现，抗拉强度和延伸率均无明显差别。
　　对增材制造过程的等效应力场进行模拟，发现沉积过程中熔池前方是应力最大的区域；沉积层在后续重熔和后热的过程中，其处于应力产生及释放的循环中，但应力峰值越来越低，表明后热过程对应力有一定的释放作用；随着层数的增加，沉积层中点的等效应力峰值逐渐下降然后趋于稳定；最后对三个成型宽度零件进行对比发现，沉积层的等效应力循环及各层中点最大等效应力峰值均随成型宽度的增加而增加。