GH4169合金CMT电弧增材制造成形特性与组织性能研究

发布时间：2020-04-29 04:03

【摘要】：电弧增材制造技术是一种以普通焊接电源为热源、丝材材料同步送进熔化凝固成形为主要技术特征的增材制造技术,该技术更加适合大中型金属构件无支撑、快速、数字化成形。电弧增材制造技术与铸造、锻造、车铣等传统加工制造技术的成形原理差异较大,在成形过程中材料的物理化学冶金反应过程较为复杂,电弧作用下丝材熔化凝固的堆积成形与合金组织的变化特征关系密切。开展CMT电弧增材制造GH4169高温合金成形特性及组织性能研究,有助于深化GH4169高温合金在电弧增材制造过程中的成形控制以及对组织演化、力学性能的理解。本论文采用CMT焊机“非一元化功能”方法对单道熔覆层的成形进行了研究。CMT电流波形中短路电流持续时间、短路电流大小对熔覆层铺展性有较大影响,CMT模式下熔覆层与基板的润湿性较差。在此基础上进一步探究了CMT模式、CMT+Pulse模式下工艺参数对熔覆层成形的影响,CMT模式下焊接速度(TS,Travel speed)越大、送丝速度(WFS,Wire feed speed)越大,熔覆层的铺展性越差;CMT+Pulse模式下,较大的焊接速度、送丝速度,熔覆层的铺展性越好。单道熔覆层成形铺展性研究试验表明,基板温度越高,单道熔覆层在基板上的铺展性越好,当基板预热温度从100℃增加至400℃时,熔覆层的宽度增加了约2mm。焊丝干伸长度越小,电弧作用在基板上的功率密度越大,越有利于熔覆层的铺展,焊丝干伸长度由10.5mm减小至6.5mm时,电弧高度减小,熔覆层的宽度增加了约1.1mm,当焊丝干伸长度继续减小至5mm,电弧底部作用在熔池的面积减小,熔覆层的宽度有所下降。薄壁逐层成形试验表明,当成形层数较大时,熔覆层顶部的热积累较大,熔覆层层与层之间的搭接变化较大,成形薄壁的均匀性下降。在薄壁成形的逐层沉积过程中,熔覆层的边界形状主要受成形温度以及焊丝干伸长度影响。焊丝干伸长度一定,成形温度较低时,熔覆层形状较为对称、一致时,成形薄壁的表面质量较好,成形误差小于0.2mm;焊丝干伸长度不变,成形层间温度越高,熔覆层宽度越大,高度越小,熔覆层形状差异较大,其中较高温度下每层熔覆层在电弧作用下的熔覆量越大,最大熔覆层熔化量约为66%。显微组织分析结果显示,CMT电弧成形GH6169合金的微观组织演变主要表现为柱状晶的生长方向、一次枝晶臂间距及Laves相,沉积态组织总体表现为外延生长的柱状晶。成形薄壁的散热方向主要沿着沉积方向,粗大的柱状晶贯穿整个熔覆层,沉积层数越高,一次枝晶间臂越大,Laves相的取向特征越明显,其中一次枝晶间臂最大约为23μm;成形块状试样的熔覆层散热能力较强,散热方向与沉积方向呈一定的夹角,柱状晶的生长方向差异较大,其中一次枝晶间臂最大约为13.70μm。室温拉伸性能研究表明,CMT电弧增材制造GH6169合金薄壁及块状试样具有各向异性特征,成形薄壁试样沉积方向的抗拉强度最大,为774MPa,伸长率为27%;成形块状试样横向抗拉强度最大为1099MPa,伸长率为18%。沉积态抗拉强度主要受柱状晶的生长方向、Laves相、一次枝晶臂间距影响,成形薄壁试样柱状晶生长方向基本与沉积方向平行,Laves相对沉积方向的晶粒钉扎作用更明显;成形块状试样柱状晶生长方向取决于搭接策略影响下的散热条件,横向拉伸时,Laves相对沿沉积方向晶粒的钉扎使材料的强度更大,塑形更差。热处理试验结果显示,固溶温度越高、时间越长,柱状晶晶界的迁移越明显,Laves相的溶解程度越高;热处理后块状试样的各向异性低于成形薄壁的各向异性,成形GH4169合金薄壁水平方向试样的抗拉强度最大为1085MPa,伸长率约为30%,沿沉积高度方向试样的抗拉强度最大为1222MPa,伸长率约为30%;成形GH4169合金块体沿水平方向试样的抗拉强度最大为1367MPa,伸长率约为18%,沿沉积高度方向试样的抗拉强度最大为1330MPa,伸长率约为17%。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261.34;TG444

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