【摘 要】
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增材制造技术相比于铣削及铸造等常规制造技术具有材料利用率高、生产流程简化、适合制造复杂成形件的优点,其中电弧增材制造技术由于具备熔敷效率高、设备简单、成本较低的特点,因此在制备大型零件时具有更大的优势。以GTA（Gas TungstenArc,钨极惰性气体保护电弧）为热源的增材制造技术具有熔敷过程稳定、无飞溅、精度高等优点,但是存在电弧热量集中不均、电流较大时热输入较大导致的组织粗化与性能降低、电
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增材制造技术相比于铣削及铸造等常规制造技术具有材料利用率高、生产流程简化、适合制造复杂成形件的优点,其中电弧增材制造技术由于具备熔敷效率高、设备简单、成本较低的特点,因此在制备大型零件时具有更大的优势。以GTA（Gas TungstenArc,钨极惰性气体保护电弧）为热源的增材制造技术具有熔敷过程稳定、无飞溅、精度高等优点,但是存在电弧热量集中不均、电流较大时热输入较大导致的组织粗化与性能降低、电弧压力过大导致过多的重熔及驼峰缺陷等问题,因此GTA增材制造电流通常被限制在200A以内,这很大程度上限制了该技术的生产效率及应用范围。针对上述问题,本课题组提出了一种新颖的非熔化极旋转电弧增材制造技术（GTRA-AM）,旋转电弧能够能够有效分散电弧压力及热量,使熔敷过程受热更加均匀,降低作用于增材成形件上的电弧压力及热输入;同时能够有效地搅拌熔池,使得成形件晶粒细化、性能提高、工艺参数范围扩大。研究结果对提高GTA增材制造效率及质量具有重要意义。搭建了旋转电弧增材制造实验平台,利用304L不锈钢焊丝进行增材制造。经计算旋转电弧较常规电弧覆盖面积更大,使得电弧压力更加分散,钨极尖端为45°斜面为较佳的增材钨极尖端形状。电弧旋转到堆积层墙体两侧时会出现电弧暴露在墙体之外的现象,有效降低热输入;旋转到熔池前侧时,电弧熔化焊丝形成熔滴过渡。对电信号及热循环检测表明旋转电弧在制造过程中具有更低的峰值温度,反映出旋转电弧热输入较低。旋转电弧在堆积层熔敷时电压呈现“M”形,当电弧旋转到墙体两侧时电弧拉长,弧压升高形成波峰;当电弧旋转到熔池后侧及熔池前侧时,弧长变短,弧压降低形成波谷,电弧在两侧路径较长导致在波峰时会形成“m”形平台。随着钨极抬高,弧压同步升高,电弧对熔池中间与两侧的高度差不敏感,此时平台消失,呈现出规则“M”形。通过预埋示踪粒子,利用高速摄像观察熔池流动行为,发现示踪粒子在熔池中随着电弧的旋转做不规则的圆周运动,对比常规电弧,在旋转电弧不断变化的电弧力的影响下示踪粒子运动更加剧烈,电弧对熔池存在明显的搅拌作用。成形件底部组织主要为细小柱状晶及胞状晶;中部熔化区（熔合线以下）主要为粗大的柱状晶及树枝晶,在中部重熔区（熔合线以上）主要为柱状晶及胞状晶;在顶部为无晶粒取向的等轴晶及树枝晶,相成分主要为奥氏体及少量的残余δ铁素体。相比常规GTA增材制造,旋转电弧增材制造成形件晶粒更加细小,硬度更均匀,抗拉强度、塑性、冲击韧性以及耐蚀性均较好。旋转电弧成形件随着热输入的降低强度升高、塑性降低、耐蚀性升高,同时由于成形件不同部位在敏化区间停留时间不同,试样的耐晶间腐蚀性能在顶部较底部及中部好。
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