電弧增材制造(wire arc additive manufacture,WAAM)因成形效率高、設(shè)備成本低的優(yōu)點而成為大尺寸鋁合金零部件增材制造的重要發(fā)展方向。然而,WAAM層層堆積的工藝特性造成鋁合金成形件內(nèi)部組織不均勻,導(dǎo)致力學(xué)性能不佳,使這種先進制造技術(shù)推廣應(yīng)用受到限制。

為了提升WAAM鋁合金零部件性能,本課題研究了不同工藝,包括機械振動和電弧擺動作用下WAAM 5B06鋁合金薄壁件宏觀成形、顯微組織和力學(xué)性能的變化,并探討相關(guān)作用機理。主要結(jié)論如下:研究了工藝參數(shù)對四種CMT電弧模式單道成形影響規(guī)律。CMT+P模式下沉積金屬鋪展較好,適合于底層成形。CMT+P+A模式下熱輸入最低,工藝穩(wěn)定性好,適合于薄壁件成形。通過工藝參數(shù)的優(yōu)化組合可以減少氣孔缺陷,使成形試樣氣孔率降至0.3%以下。

采用通用旋轉(zhuǎn)實驗設(shè)計方法獲得薄壁試樣有效寬度預(yù)測模型,預(yù)測精度接近90%。分析成形薄壁件精度,發(fā)現(xiàn)無論是加入機械振動還是電弧擺動,其有效寬度百分比基本穩(wěn)定在75~85%,尺寸精度與未使用機械振動或電弧擺動相比沒有降低,同時電弧擺動可以增加薄壁件有效寬度。WAAM 5B06鋁合金薄壁試樣增材方向顯微組織呈周期性變化特征:熔池區(qū)析出相細小彌散、晶粒尺寸小,過渡區(qū)析出相粗大、晶粒尺寸較大。

四種電弧模式中,CMT+P模式呈現(xiàn)明顯的柱狀晶過渡特征,導(dǎo)致其橫向拉伸性能明顯低于其它三種以等軸晶過渡為主的電弧模式。CMT+P+A模式下不同熱輸入、層間等待時間等工藝參數(shù)變化對拉伸性能及其各向異性無明顯影響。

機械振動使WAAM 5B06鋁合金薄壁試樣過渡區(qū)晶粒細化,沉積層間組織不均勻性得到改善,振動加速度達到15m/s2時可以提升橫向和縱向抗拉強度約20~30Mpa。電弧擺動則可以改善薄壁試樣力學(xué)性能各向異性。與不擺動相比,擺動頻率達到7.5Hz時,抗拉強度各向異性百分比由17.88%降至8.24%。