电弧熔丝增材制造高强钢零件工艺基础研究

摘要

电弧熔丝增材制造技术（Wire and Arc Additive Manufacturing, WAAM）是金属零部件快速成形技术的一种，具有成形效率高、材料利用率高、设备成本较低、没有成形腔的限制等特点，特别适合制造大型金属零件。当前该技术研究的材料主要为钛合金和铝合金，而对高强钢的工艺性、组织和性能研究较少。为此，本文采用冷金属过渡技术，以大西洋CHW-95C低合金高强钢焊丝为材料，深入研究了不同工艺参数下WAAM高强钢零件的成形、组织、性能的变化规律，以及后续热数理工艺对成形构件组织和性能的影响。针对WAAM成形技术的特点，还研究成形路径对零件成形质量的影响。主要结论如下：
　　首先研究了成形工艺参数对单层单道和多层单道沉积层形貌和尺寸的影响规律。结果表明，单层单道时，当行走速度超过0.54 m/min时，电弧变得不稳定，沉积层的成形质量降低。通过分析其有效面积比，得出多层单道焊的最优工艺参数为送丝速4.5 m/min，行走速度0.36 m/min，并在此基础上建立了成形尺寸与行走速度、送丝速度的回归模型。
　　其次，系统研究了热输入对WAAM高强钢的组织和力学性能的影响规律。沉积层组织由粒状贝氏体、针状铁素体、无碳化物贝氏体和M-A组元组成。随着热输入的增加，粒状贝氏体的含量增加，而针状铁素体和无碳化物贝氏体的含量逐渐减少，零件的抗拉强度呈增大趋势，屈服强度先增大后减小，而延伸率逐渐减小。在不同热输入下，横向和纵向的抗拉强度和屈服强度相差最大仅为5.99％，但是沉积态下零件和同级别的锻件相比屈服强度较低。
　　第三，针对成形构件屈服强度偏低的问题，对WAAM高强钢零件进行正火+淬火+高温回火热处理。研究发现，随着回火温度的升高，零件的抗拉强度和屈服强度逐渐降低，而延伸率逐渐升高；同时，由于沉积层内合金元素的偏析引起各部分回火程度不一致，导致横向和纵向拉伸性能之差增大。此外，在回火温度低于565℃时，横向和纵向的抗拉强度和屈服强度与未热处理零件相比均得到显著提高，其中屈服强度最大可提高199.6 MPa。
　　第四，研究了WAAM成行路径对高强钢构件成形质量的影响规律。通过对十字接头和实心圆柱零件成形的研究发现：进行路径规划时，减少零件内部的起弧点和熄弧点是减少零件内部夹杂的关键。

目录

声明

1 绪论

1.1 前言

1.2 金属增材制造技术概述

1.3 WAAM的历史与现状

1.4 本课题研究意义及主要研究内容

2 试验系统和试验研究方法

2.1 实验设备

2.2 试验材料

2.3 试验方案和分析方法

3 WAAM成形工艺基础研究

3.1 前言

3.2 单层单道沉积层的成形研究

3.3 多层单道沉积层的成形工艺研究

3.4 本章小结

4 热输入对WAAM沉积层组织和性能的影响

4.1 前言

4.2 WAAM沉积层微观组织和分析

4.3 热输入对WAAM构件拉伸性能的影响和分析

4.4 热输入对WAAM沉积层断口形貌的影响和分析

4.5 热输入对WAAM沉积层硬度的影响

4.6 本章小结

5 热处理工艺对WAAM高强钢组织和性能的影响

5.1 前言

5.2 热处理工艺方案

5.3 回火温度对WAAM沉积层微观组织的影响及分析

5.4 回火温度对WAAM试样拉伸力学性能的影响和分析

5.5 回火温度对WAAM试样拉伸断口形貌的影响

5.6 回火温度对WAAM沉积层硬度的影响

5.7 本章小结

6 沉积路径对WAAM成形构件质量的影响

6.1 前言

6.2 十字接头结构的WAAM成形方案

6.3 实心圆柱类零件的WAAM成形方案

6.4 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 课题展望

致谢

参考文献