308L不锈钢双丝GTA增材制造组织及性能

摘要

电弧增材制造技术是一种以电弧为热源，丝材为填充材料，逐层堆积构件的增材制造技术，由于其生产成本低、效率高和设备简单等优点，被广泛应用于航空、航天及船舶等行业中，但同时存在热输入过大引起的热积累严重、熔池冷却速率低、显微组织粗大及力学性能差等问题。针对以上问题本文提出了一种双丝增材制造工艺来降低堆积层的热积累，达到改善成形件组织及性能的目的，即前送丝送入电弧，负责高效熔丝，后送丝送入熔池，进行少量熔丝提高熔池冷却速率，减少热积累，并以308L奥氏体不锈钢为填充材料，钨极氩弧(Gas Tungsten Arc，GTA)为热源，多层单道薄壁件为研究对象，并对双丝GTA增材制造的工艺和成形件组织及性能开展了相关研究。　　首先研究了后送丝送入熔池位置(熔池前端、中部及尾部)对成形的影响，并揭示了堆积电流和前送丝速度与熔池能熔化的最大后送丝量之间的关系。结果表明使用熔池前端送丝，成形质量最好。同时，在其他工艺参数一定的条件下，增大堆积电流或前送丝速度时，熔池能熔化的最大后送丝量也随之增加，但当堆积电流或前送丝速度达到一定值时，熔池能熔化的最大后送丝量保持不变。　　之后，研究了送丝模式与组织及性能之间的关系，重点分析了成形件组织的枝晶形态、枝晶间距及析出相，并对试样进行了力学性能测试。试验结果表明，单丝、双丝共弧(两根丝都送入电弧)和双丝弧池(一根丝送入电弧，一根丝送入熔池)GTA增材制造成形件组织分别为二次枝晶、柱状晶和胞状晶形态。力学性能方面，双丝共弧和双丝弧池的平均显微硬度差别不大，但都高于单丝；三种送丝模式的抗拉强度均表现为各向异性，即沿堆积方向的试样抗拉强度优于堆积高度方向的试样，但双丝弧池增材试样的抗拉强度最高，分别比单丝和双丝共弧增材试样增加了25.17MPa和12.31MPa；三种送丝模式的断后伸长率相差不大。　　在工艺参数为：峰值电流200A、基值电流100A、行走速度0.2m/min、前送丝速度1.5m/min和层间等待时间120s条件下堆积了薄壁件试样，研究了后送丝速度对组织及性能的影响。结果表明，当后送丝速度从0.2m/min增加到0.8m/min，沉积态组织从粗大的树枝晶逐渐变为细小的树枝晶和少量的柱状晶，且枝晶间距也逐渐减小；同时，铁素体形貌分别呈现为板条状(0.2m/min)、骨架状(0.5m/min)以及网状(0.8m/min)存在于奥氏体基体上。而力学性能方面，随着后送丝速度的增加，平均显微硬度增加，且后送丝速度为0.8m/min的平均显微硬度比后送丝速度为0.2m/min的提高了10.7%；试样的抗拉强度也呈现出逐渐增加的趋势，后送丝速度为0.8m/min时的抗拉强度比后送丝速度为0.2m/min的抗拉强度提高了7.8%，且三种试样的断裂方式都为韧性断裂。　　最后，研究了固溶温度和时间对308L不锈钢双丝GTA增材制造成形件组织和力学性能的影响。结果表明，成形件试样随着固溶温度的升高，成形件内铁素体形貌分别为骨架状(1000℃)、侧板条状(1050℃)和点状(1100℃)，且铁素体的含量也逐渐降低；相比于沉积态试样，在1000℃的固溶温度下试样的显微硬度和抗拉强度分别增加了12.4HV和18.17MPa。在1050℃的固溶温度下，固溶时间为1h和2h时，铁素体形貌分别为侧板条状和点状，当固溶时间达到4h，铁素体全部溶解，只有奥氏体存在，此时组织达到完全奥氏体态，相比于沉积态试样，试样的塑性均有所提高。

目录

声明

第1 章绪 论

1.1 课题背景及意义

1.2 金属增材制造研究现状

1.2.1 激光送丝增材制造

1.2.2 电子束增材制造

1.2.3 电弧增材制造

1.3 不锈钢增材制造研究现状

1.4 双丝增材制造研究现状

1.5 本文主要研究内容

第2 章试验材料、方法及设备

2.1 试验材料及方法

2.1.1 试验材料

2.1.2 双丝GTA 增材制造系统的工作原理

2.1.3 试验设备及制备方法

2.1.4 试验制备参数

2.2 热处理方法及设备

2.3 组织和性能表征方法及设备

2.3.1 微观组织及相结构分析

2.3.2 力学性能测试方法及设备

第 3 章 双丝 GTA 增材制造工艺研究

3.1 后送丝填丝位置对成形的影响

3.2 工艺参数对成形的影响

3.2.1 堆积电流对成形的影响

3.2.2 前送丝速度对成形的影响

3.3 本章小结

第4 章双丝GTA 增材制造成形件的组织及性能

4.1 典型的双丝GTA增材制造成形件组织特征

4.1.1 枝晶组织特征

4.1.2 析出相

4.1.3 308L 不锈钢双丝GTA 增材制造凝固模式

4.1.4铁素体生长机理

4.1.5 枝晶组织生长机理

4.2送丝模式对成形件组织及性能的影响

4.2.1送丝模式对成形件组织的影响

4.2.2送丝模式对成形件力学性能的影响

4.3后送丝速度对成形件组织及性能的影响

4.3.1后送丝速度对成形件组织的影响

4.3.2不同后送丝速度下组织的演变机理

4.2.3后送丝速度对成形件力学性能的影响

4.4 本章小结

第5 章热处理对308L 不锈钢双丝GTA 增材制造组织及性能的影响

5.1 固溶温度对组织及性能的影响

5.1.1 固溶温度对组织的影响

5.1.2 固溶温度对性能的影响

5.2 固溶时间对组织及性能的影响

5.2.1 固溶时间对组织的影响

5.2.2 固溶时间对性能的影响

5.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间的科研成果