超声振动辅助CMT电弧增材制造2319铝合金组织及力学性能研究

摘要

2319铝合金是典型的2系铝合金，具有高强度、良好的耐热性和焊接性，被广泛用于制造飞机蒙皮、航天火箭燃料槽等复杂零部件。冷金属过渡（ColdMetalTransfer，简称CMT）电弧增材制造技术可实现数字控制方式下的短电弧和焊丝的换向送丝监控，将其用于铝合金的增材制造具有低成本、高效率、灵活性好等优势，有望实现精密电弧增材制造，近年来备受关注。然而使用CMT电弧增材制造铝合金依然存在微观组织和性能各向异性调控机制未阐明、冶金缺陷控制和力学性能指标不足等问题。因此，研究基于CMT电弧增材制造成形铝合金组织和性能调控技术具有重要的科学意义和应用价值。　　本文首先采用传统CMT电弧增材工艺制备2319铝合金试样，利用金相、电镜、X射线衍射及拉伸试验机等现代分析测试技术对增材试样微观组织和性能各向异性进行研究。然后引入超声振动辅助，揭示不同超声振动参数对铝合金组织及力学性能的影响。最后通过固溶时效热处理，改善超声振动态2319铝合金力学性能。取得主要研究结果如下：　　直接沉积态2319铝合金试样的微观组织虽然不均匀，但晶粒形貌的演化过程具有规律性，每一阶段从上往下依次是枝晶区、熔合线和等轴晶区域，由枝晶逐渐向等轴晶过度。在引入超声辅助后，2319铝合金试样的等轴晶区域扩大，且晶粒细化，其平均晶粒尺寸大大减小。在超声功率1400W时晶粒度由5.5级提升到6.0级，所制备的2319铝合金试样孔隙率最低，有少量仍残留于晶区交界处，其最大气孔尺寸仅50μm左右。然而当超声振动功率超过一定阈值时，部分等轴晶晶粒会转变为粗大等轴晶，气孔缺陷反而增多，导致试样中存在很多大小不一的气孔缺陷。在拉伸性能方面，引入超声振动后的力学性能，2319铝合金增材试样各向异性降低，表现为各向同性，平均抗拉强度，屈服强度和延伸率分别提高8.5%、13%和22%，断口形貌呈现韧性断裂。　　针对2319铝合金进行不同制度热处理工艺探究，经过T6热处理后，CMT电弧增材2319铝合金试样在晶间和晶内的第二相颗粒基本消除，α-Al晶粒均匀化，随着固溶温度的增加，α-Al晶粒稍微增大，同时固溶温度的增加也会导致过烧倾向增大。T6热处理后Al基体中Cu含量达到了5.69wt.%，已经接近Cu在Al中的极限固溶度5.7%，由于2319铝合金焊丝中Cu的含量为6.36%，已经超过Cu在Al中的极限固溶度，导致一部分Cu原子无法溶解，仍以θ相（Al2Cu）的形式存在于合金中。　　1400W超声振动功率下2319铝合金试样T6态处理后的拉伸性能与工业2219铝合金T6态热处理非常接近，而且延伸率高于2219铝合金T6态热处理，与引入超声振动且未热处理的2319铝合金试样相比抗拉强度和屈服强度分别提高48%和103%，延伸率降低20%。

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