【摘 要】
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电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种以焊接技术为基础的增材制造技术,其具有较高的沉积速率和材料利用率,并能够成形大中型复杂构件,在航空航天、军事工业等领域具有广泛的应用前景。电弧增材制造高强度铝合金是加工大中型复杂轻量化结构的理想方法。与传统铝合金相比,铝锂合金具有更低的密度,且具有较高的比刚度和比强度,是一种极具应用潜力的轻质高强
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电弧增材制造(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是一种以焊接技术为基础的增材制造技术,其具有较高的沉积速率和材料利用率,并能够成形大中型复杂构件,在航空航天、军事工业等领域具有广泛的应用前景。电弧增材制造高强度铝合金是加工大中型复杂轻量化结构的理想方法。与传统铝合金相比,铝锂合金具有更低的密度,且具有较高的比刚度和比强度,是一种极具应用潜力的轻质高强材料。冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)作为焊接技术的一种,具有热输入小、焊速快和飞溅少等优点。本研究以第三代铝锂合金(2196铝锂合金)为研究对象,以CMT作为热源配合六轴联动机械手臂完成WAAM过程。研究了焊接工艺参数以及层间冷却时间等因素对2196铝锂合金显微组织及力学性能的影响规律及机理,制备了具有良好力学性能的2196合金,论文主要研究内容如下:(1)设计了多层单道实验来优化WAAM成形工艺参数。保持层间冷却时间120s不变,通过改变送丝速度和走丝速度,设置了 25组工艺参数来研究热输入对薄壁墙宏观形貌、微观组织以及力学性能的影响规律。研究结果表明,在较低热输入参数下薄壁墙形貌较好,晶粒细小。但是所有工艺参数制备的试样力学性能较差,延伸率均小于6%。(2)通过固定送丝速度(3m/min)和走丝速度(0.45m/min),研究了层间冷却时间(5s~120s)对WAAM2196铝锂合金显微组织及力学性能的影响规律及机理。利用计算机断层扫描(Computerized Tomography,CT)技术对不同层间冷却时间试样检测,发现层间冷却时间会显著影响试样的气孔数量与尺寸。较短(5s)与较长(120s)层间冷却时间都会产生大量气孔,气孔含量为0.4~0.5vol.%。当层间冷却时间为15s时,试样内部的气孔显著减少,气孔含量降低至0.14vol.%。层间冷却时间较短时,气孔大都为圆形气孔,随层间冷却时间延长,因熔合不充分形成的不规则气孔增加。并且延长层间冷却时间,试样中还发现了少量裂纹。力学性能测试结果表明,随着层间冷却时间增加,塑性逐步降低。由于层间冷却时间15s的试样具有更低的气孔率,其力学性能具有更好的可重复性,获得了抗拉强度>210MPa,延伸率>12%的2196铝锂合金。(3)研究了时效温度和时效时间对电弧增材制造2196铝合金显微组织与性能的影响,确定了最优的热处理工艺(515℃×90min固溶后170℃时效24h),提升材料强度至>380MPa,同时保持良好的延伸率>12%。
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