ZL114A铝合金GTA增材制造的工艺优化与数值模拟研究
发布时间：2022-02-10 05:45
近年来,铸造铝合金的应用越来越广泛,其中Al-Si系合金中高强高韧性的ZL114A合金凭借良好的铸造性能和力学性能被广泛应用于兵工、航空、交通等现代制造业中。增材制造技术因其高效低成本的制造特点,自概念诞生以来就在全球受到了广泛关注,各领域都将研究增材制造作为热点,焊接工艺与增材制造技术的结合成为新的发展方向,电弧增材制造技术应运而生,并因其热源成本低、易获取的特点迅速成为热门研究内容。本文将电弧增材制造技术与铸造铝合金结合起来,使用GTA电弧增材制备ZL114A零件,通过工艺试验进行参数优化,使用基于ABAQUS软件的有限元数值模拟方法研究增材制造过程中温度场与应力场的动态变化规律,进而预测工艺成形。使用自主设计搭建的增材制造平台进行工艺试验,研究工艺参数对GTA增材制造ZL114A成形的影响,通过正交试验法研究工艺参数对层高、层宽的影响程度,发现对焊缝层高影响程度的工艺参数排序为:送丝速度、焊接电流、行走速度,对焊缝层宽影响程度的工艺参数排序为:行走速度、焊接电流、送丝速度。通过控制变量试验研究工艺参数对层高、层宽的影响规律发现,焊缝层高随着焊接电流、行走速度增大而减小,随送丝速度...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Lasform技术示意图[3]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-2002年，西北工业大学的杨海欧[6]对Rene95合金激光立体成形技术进行了系统性研究，通过优化工艺参数，改进喷嘴结构，对试样进行热处理等方法，从试样的显微组织和力学性能角度进行评估，成功制备得到符合使用要求的Rene95合金激光立体成形件，证实了该技术的可行性。作者得到的成形件显微组织主要由细长枝晶组成，且这些枝晶具有外延生长的特点，作者认为制备过程中温度梯度高、凝固速度高是形成细长枝晶的原因，凝固过程中固液界面的推进是外延生长的原因。2003年，北京有色金属研究所[7]研究了激光直接沉积663铜合金和316L不锈钢所得材料的组织和性能。图1-2（a）显示了单层激光熔覆316L不锈钢的横截面显微组织，图中可以清楚地区分三个不同的区域，分别为平面生长区域，树状区域和等轴区域，显然这三个区域是在不同的凝固条件下形成的。图1-2（b）显示了具有交替处理方向的激光沉积663铜合金样品的纵向截面的微观结构，图中标出了横向和凝固方向，可以看出此技术所获得的微结构精细且无缺陷。图1-2样品的显微组织结构[7]:(a)316L不锈钢的横截面,(b)663铜合金的纵向横截面2004年，中国科学院沈阳自动化研究所的尚晓峰等人[8]设计组建了相较已有研究成果，更具创新型的激光工程化净成形系统。尚晓峰开展了一系列成形研究试验，给出了试验中若干问题的解决方案，分别为用单层多次铺粉多次扫描的方法解决体积收缩率过大的问题，采用滴加20%的502-丙酮溶液使粉末粘结与使加工表面位于激光焦点之下相结合的方法解决粉末爆炸迸飞问题，采用50%重合率与不扫描轮廓线的方法解决表面质量问题。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-图1-3扫描层厚为0.05mm时所得到的致密度达95%的试样[9]:(a)层厚为0.05mm侧面,(b)层厚0.05mm表面2008年，华中科技大学的付立定[9]对如何提升选择性激光熔化直接成形制备所得金属件的致密度展开了系统性研究，使用正交试验研究工艺参数，使用不同粉末材料对比研究其影响，改进扫描方式研究其影响，通过以上的方法付立定成功制备得到致密度高达95%的试样，并且制定了一套完整的选择性激光熔化工艺研究流程，为更多的研究项目奠定了基矗2010年，朱胜在增材再制造的成形材料开发领域进行了研究[10]，增材再制造技术是一种将再制造与增材技术相结合的新型技术，其变废为宝、坏中修好的特点符合绿色制造的要求。朱胜制备了具有Fe-Si-Mn-Ti-B微合金系列的新型金属芯线，通过GMAW表面快速成形技术直接形成零件，研究成形零件的显微组织和显微硬度，发现提高针状铁素体比例可以提高结合性能。研究零件的性能特征。抗拉强度，屈服强度和断裂伸长率分别为575MPa，530MPa和10.14％，断裂机理属于准解理断裂[11]，因此，该自制材料可用于形成一些结构部件。2013年，朱胜[12]在柔性增材再制造技术方面取得了一定的研究成果，相比普通增材再制造，此技术更注重利用机器人等系统来进行高柔性控制。这些研究成果包括平台开发，反求建模技术，形状精度控制，材料集约化和磁控柔性增材再制造技术。总的来说，从20世纪末国内开始研究增材制造技术以来，主要成果来自于高校和研究所，主要研究内容为各种新型增材制造技术方法的探究，工艺参数的优化[13–15]，成形件显微组织、性能特征的研究，可以良好适应增材制造的新型材料开发等方面，可以看出经过十几年的研究，已经形成一套成体系的研究思路，这对后续的研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]5A06铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟[J]. 崔超,吴志生,柴斐,范祎欣. 焊接技术. 2017(03)
[2]3D打印技术及应用趋势[J]. 李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 自动化仪表. 2014(01)
[3]柔性增材再制造技术[J]. 朱胜. 机械工程学报. 2013(23)
[4]5A06铝合金焊接残余应力有限元分析[J]. 米国发,赵大为,董翠粉,牛济泰. 热加工工艺. 2010(03)
[5]焊接应力变形原理若干问题的探讨(二)[J]. 王者昌. 焊接学报. 2008(07)
[6]焊接应力变形原理若干问题的探讨(一)[J]. 王者昌. 焊接学报. 2008(06)
[7]激光工程化净成形技术的研究[J]. 尚晓峰,刘伟军,王天然,王志坚. 工具技术. 2004(01)
[8]金属材料激光立体成形技术[J]. 黄卫东,李延民,冯莉萍,陈静,杨海欧,林鑫. 材料工程. 2002(03)
博士论文
[1]2219铝合金GTA增材制造及其热处理过程的组织演变[D]. 柏久阳.哈尔滨工业大学 2017
[2]多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D]. 熊俊.哈尔滨工业大学 2014
[3]GMAW再制造多重堆积路径对质量影响及优化方法研究[D]. 赵慧慧.哈尔滨工业大学 2012
[4]光固化三维打印成形材料的研究与应用[D]. 刘海涛.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]大深宽比搅拌摩擦焊数字化设计与过程仿真[D]. 谢聿铭.哈尔滨工业大学 2018
[2]316LN不锈钢窄间隙TIG焊电弧特性与熔池行为的数值模拟[D]. 董博伦.哈尔滨工业大学 2018
[3]铝合金CMT电弧增材制造温度场、应力场及流场数值模拟[D]. 曹熙勇.南京航空航天大学 2018
[4]铸造铝合金激光熔覆修复工艺特性研究及应力场数值模拟[D]. 陈奥.哈尔滨工业大学 2017
[5]电弧增材制造温度场与应力场的数值模拟及成形路径策略评估[D]. 刘文洁.华中科技大学 2017
[6]Inconel625合金GTAW电弧增材制造工艺研究[D]. 刘金平.哈尔滨工业大学 2016
[7]电弧增材制造成形尺寸及工艺参数优化研究[D]. 夏然飞.华中科技大学 2016
[8]电弧增材制造5B06铝合金工艺及性能研究[D]. 李玉飞.华中科技大学 2017
[9]不锈钢粉末选择性激光熔化直接制造金属零件研究[D]. 付立定.华中科技大学 2008
[10]等离子熔积成形过程温度场与应力场的数值模拟[D]. 张珩.华中科技大学 2005
本文编号：3618354
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省211工程院校985工程院校
【文章页数】：74 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Lasform技术示意图[3]
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-2002年，西北工业大学的杨海欧[6]对Rene95合金激光立体成形技术进行了系统性研究，通过优化工艺参数，改进喷嘴结构，对试样进行热处理等方法，从试样的显微组织和力学性能角度进行评估，成功制备得到符合使用要求的Rene95合金激光立体成形件，证实了该技术的可行性。作者得到的成形件显微组织主要由细长枝晶组成，且这些枝晶具有外延生长的特点，作者认为制备过程中温度梯度高、凝固速度高是形成细长枝晶的原因，凝固过程中固液界面的推进是外延生长的原因。2003年，北京有色金属研究所[7]研究了激光直接沉积663铜合金和316L不锈钢所得材料的组织和性能。图1-2（a）显示了单层激光熔覆316L不锈钢的横截面显微组织，图中可以清楚地区分三个不同的区域，分别为平面生长区域，树状区域和等轴区域，显然这三个区域是在不同的凝固条件下形成的。图1-2（b）显示了具有交替处理方向的激光沉积663铜合金样品的纵向截面的微观结构，图中标出了横向和凝固方向，可以看出此技术所获得的微结构精细且无缺陷。图1-2样品的显微组织结构[7]:(a)316L不锈钢的横截面,(b)663铜合金的纵向横截面2004年，中国科学院沈阳自动化研究所的尚晓峰等人[8]设计组建了相较已有研究成果，更具创新型的激光工程化净成形系统。尚晓峰开展了一系列成形研究试验，给出了试验中若干问题的解决方案，分别为用单层多次铺粉多次扫描的方法解决体积收缩率过大的问题，采用滴加20%的502-丙酮溶液使粉末粘结与使加工表面位于激光焦点之下相结合的方法解决粉末爆炸迸飞问题，采用50%重合率与不扫描轮廓线的方法解决表面质量问题。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-图1-3扫描层厚为0.05mm时所得到的致密度达95%的试样[9]:(a)层厚为0.05mm侧面,(b)层厚0.05mm表面2008年，华中科技大学的付立定[9]对如何提升选择性激光熔化直接成形制备所得金属件的致密度展开了系统性研究，使用正交试验研究工艺参数，使用不同粉末材料对比研究其影响，改进扫描方式研究其影响，通过以上的方法付立定成功制备得到致密度高达95%的试样，并且制定了一套完整的选择性激光熔化工艺研究流程，为更多的研究项目奠定了基矗2010年，朱胜在增材再制造的成形材料开发领域进行了研究[10]，增材再制造技术是一种将再制造与增材技术相结合的新型技术，其变废为宝、坏中修好的特点符合绿色制造的要求。朱胜制备了具有Fe-Si-Mn-Ti-B微合金系列的新型金属芯线，通过GMAW表面快速成形技术直接形成零件，研究成形零件的显微组织和显微硬度，发现提高针状铁素体比例可以提高结合性能。研究零件的性能特征。抗拉强度，屈服强度和断裂伸长率分别为575MPa，530MPa和10.14％，断裂机理属于准解理断裂[11]，因此，该自制材料可用于形成一些结构部件。2013年，朱胜[12]在柔性增材再制造技术方面取得了一定的研究成果，相比普通增材再制造，此技术更注重利用机器人等系统来进行高柔性控制。这些研究成果包括平台开发，反求建模技术，形状精度控制，材料集约化和磁控柔性增材再制造技术。总的来说，从20世纪末国内开始研究增材制造技术以来，主要成果来自于高校和研究所，主要研究内容为各种新型增材制造技术方法的探究，工艺参数的优化[13–15]，成形件显微组织、性能特征的研究，可以良好适应增材制造的新型材料开发等方面，可以看出经过十几年的研究，已经形成一套成体系的研究思路，这对后续的研究
【参考文献】：
期刊论文
[1]5A06铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟[J]. 崔超,吴志生,柴斐,范祎欣. 焊接技术. 2017(03)
[2]3D打印技术及应用趋势[J]. 李小丽,马剑雄,李萍,陈琪,周伟民. 自动化仪表. 2014(01)
[3]柔性增材再制造技术[J]. 朱胜. 机械工程学报. 2013(23)
[4]5A06铝合金焊接残余应力有限元分析[J]. 米国发,赵大为,董翠粉,牛济泰. 热加工工艺. 2010(03)
[5]焊接应力变形原理若干问题的探讨(二)[J]. 王者昌. 焊接学报. 2008(07)
[6]焊接应力变形原理若干问题的探讨(一)[J]. 王者昌. 焊接学报. 2008(06)
[7]激光工程化净成形技术的研究[J]. 尚晓峰,刘伟军,王天然,王志坚. 工具技术. 2004(01)
[8]金属材料激光立体成形技术[J]. 黄卫东,李延民,冯莉萍,陈静,杨海欧,林鑫. 材料工程. 2002(03)
博士论文
[1]2219铝合金GTA增材制造及其热处理过程的组织演变[D]. 柏久阳.哈尔滨工业大学 2017
[2]多层单道GMA增材制造成形特性及熔敷尺寸控制[D]. 熊俊.哈尔滨工业大学 2014
[3]GMAW再制造多重堆积路径对质量影响及优化方法研究[D]. 赵慧慧.哈尔滨工业大学 2012
[4]光固化三维打印成形材料的研究与应用[D]. 刘海涛.华中科技大学 2009
硕士论文
[1]大深宽比搅拌摩擦焊数字化设计与过程仿真[D]. 谢聿铭.哈尔滨工业大学 2018
[2]316LN不锈钢窄间隙TIG焊电弧特性与熔池行为的数值模拟[D]. 董博伦.哈尔滨工业大学 2018
[3]铝合金CMT电弧增材制造温度场、应力场及流场数值模拟[D]. 曹熙勇.南京航空航天大学 2018
[4]铸造铝合金激光熔覆修复工艺特性研究及应力场数值模拟[D]. 陈奥.哈尔滨工业大学 2017
[5]电弧增材制造温度场与应力场的数值模拟及成形路径策略评估[D]. 刘文洁.华中科技大学 2017
[6]Inconel625合金GTAW电弧增材制造工艺研究[D]. 刘金平.哈尔滨工业大学 2016
[7]电弧增材制造成形尺寸及工艺参数优化研究[D]. 夏然飞.华中科技大学 2016
[8]电弧增材制造5B06铝合金工艺及性能研究[D]. 李玉飞.华中科技大学 2017
[9]不锈钢粉末选择性激光熔化直接制造金属零件研究[D]. 付立定.华中科技大学 2008
[10]等离子熔积成形过程温度场与应力场的数值模拟[D]. 张珩.华中科技大学 2005
本文编号：3618354
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