【摘 要】
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增材制造是一种基于“分层-叠加”原理,实现金属构件高品质一步成形的新技术,也是当前的研究热点。现有主流工艺都面临难以实现沉积效率和成形精度平衡调控的问题:激光增材制造精度高,但效率偏低;电弧增材制造（WAAM）效率高,但精度较差。激光-电弧复合增材制造（LHAM）能够通过两种热源的相互作用增强电弧高速稳定性,解决WAAM的大电流熔池失稳问题,从而同时提升沉积效率和成形精度。但是,相关工作,尤其是高
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增材制造是一种基于“分层-叠加”原理,实现金属构件高品质一步成形的新技术,也是当前的研究热点。现有主流工艺都面临难以实现沉积效率和成形精度平衡调控的问题:激光增材制造精度高,但效率偏低;电弧增材制造（WAAM）效率高,但精度较差。激光-电弧复合增材制造（LHAM）能够通过两种热源的相互作用增强电弧高速稳定性,解决WAAM的大电流熔池失稳问题,从而同时提升沉积效率和成形精度。但是,相关工作,尤其是高功率LHAM尚未开展。为此,本文系统研究了不锈钢高功率LHAM的工艺稳定机制和组织性能演变规律,主要结果如下:研究了工艺参数对LHAM薄壁墙沉积效率和形貌特征的影响规律,得到了可获得稳定且无气孔缺陷成形所需的工艺参数范围,实现了沉积效率和成形精度的平衡调控:在同样的成形精度下（～200μm）,单丝沉积效率是WAAM的2.5倍,从377cm~3/h提升至942 cm~3/h;在同样的沉积效率下（～377 cm~3/h）,LHAM侧壁粗糙度降低了74%,并据此建立了平均层高、层宽和粗糙度的回归模型和控制方程,能够准确预测试件沉积效率和成形精度,为工业应用参数选取提供依据。基于熔滴过渡和熔池边界受力分析,探讨了在无基板支撑条件下,大电流或高速WAAM和LHAM熔池失稳的关键影响因素及其稳定机制。LHAM能够通过激光对电弧的吸引和压缩作用,提高熔滴过渡持续时间,使得熔滴过渡由WAAM失稳状态下的多种过渡方式并存的不稳定状态转变为平稳的冷金属过渡或中等颗粒射滴过渡模式。LHAM本身熔池失稳与否取决于表面张力和内部静水压力在熔池边缘是否达到平衡,只有在两者平衡的情况下,才能避免液态金属的快速下淌,维持熔池稳定。研究了工艺参数对LHAM试样显微组织的影响规律,发现所有试样均由具有外延生长特性的奥氏体和铁素体组成,中部稳定区按铁素体形貌可分为细晶重熔区（FGRZ）和粗晶熔化区（CGMZ）。CGMZ铁素体通常表现为连续或部分连续网状形态,但是会在脉冲电弧熔滴冲击或扫描光束高频搅拌作用下转变为颗粒状、蠕虫状、网状等多种形貌混合特征。晶粒外延生长特性导致制件会沿建造方向形成织构,但激光能量传输模式对其织构分布特征有显著影响:当激光能量传输为热导模式时,因为晶粒生长方向与建造方向平行,试样只形成{001}＜100＞立方织构;当激光能量传输为深熔模式时,晶粒生长方向会向＜110＞方向偏移,导致试样由{001}＜100＞立方织构和{110}＜100＞高斯织构共同组成。揭示了工艺参数对材料拉伸性能和耐蚀性能的影响规律,在优化的工艺参数下,LHAM试样各项性能相对于WAAM有明显提升:最大抗拉强度由530 MPa提升至600 MPa以上,抗拉强度各向异性从10.9%降至0.5%,耐蚀性能最大提高2.28倍。通过归一化FGRZ和CGMZ枝晶间距计算了细晶强化、固溶强化和析出强化三种强化机制的贡献程度,分别为:166.6、27.7和3.3 MPa,证明细晶强化的贡献最大,并据此提出了两种增强LHAM拉伸性能的方法。探讨了沉积策略对100 mm×100 mm×70 mm的长方LHAM实体成形、组织、性能的影响规律,发现沉积策略不影响实体不同截面的显微组织组成,但采用90°连续沉积策略因为散热条件更随机,能获得综合性能更好的LHAM零件:和薄壁墙相比,单丝沉积效率由942 cm~3/h进一步提升至1036 cm~3/h,实体零件抗拉强度略低4%,但延伸率提高10%以上,均满足ASTM A 479标准。
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