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金属学报 2025年第2期61卷 211-225页

作者：韩启飞狄兴隆郭跃岭叶水俊郑元翾刘长猛北京理工大学机械与车辆学院北京100081

传统工艺制备Mg/Mg双金属件流程复杂、成形效率低,电弧熔丝增材制造(WAAM)在提高大尺寸双金属件成形效率方面具有技术优势。为提高大尺寸Mg/Mg双金属件的成形效率和界面性能,本工作采用WAAM技术制备了Mg-Al-Si/Mg-Gd-Y-Zn双金属薄壁,研... 详细信息

传统工艺制备Mg/Mg双金属件流程复杂、成形效率低,电弧熔丝增材制造(WAAM)在提高大尺寸双金属件成形效率方面具有技术优势。为提高大尺寸Mg/Mg双金属件的成形效率和界面性能,本工作采用WAAM技术制备了Mg-Al-Si/Mg-Gd-Y-Zn双金属薄壁,研究了双金属件的宏观形貌、微观组织、显微硬度和力学性能。结果表明,该双金属件通过WAAM实现了良好的界面结合,双金属的界面为厚度约1.4 mm的过渡区。EPMA结果表明,过渡区内形成了成分梯度,从Mg-Al-Si合金侧到Mg-Gd-Y-Zn合金侧,Al和Si元素的含量逐渐降低,而Gd、Y和Zn元素的含量逐步增加。根据非平衡凝固相图和微观组织分析,双金属件由3个区域组成,分别是存在汉字状Mg_(2)Si相的Mg-Al-Si区,具有粒状Mg_(2)Si相、Mg_(3)(Gd,Y)相及Mg_(5)(Gd,Y)相的过渡区和以Mg_(12)Zn(Gd,Y)相为主的Mg-Gd-Y-Zn合金区。自Mg-Al-Si侧向Mg-Gd-Y-Zn侧,过渡区内的显微硬度从57 HV_(0.5)连续增加到90 HV_(0.5)。室温拉伸结果表明,双金属的强度接近Mg-Al-Si合金,极限抗拉强度和屈服强度分别为236.8和102.2 MPa,延伸率和加工硬化指数接近Mg-Gd-Y-Zn合金,分别为11.0%和0.323。WAAM Mg-Al-Si/Mg-Gd-Y-Zn双金属件的断裂位置位于过渡区,Mg-Al-Si合金的断裂机制以韧性断裂为主,而双金属和Mg-Gd-Y-Zn合金的断裂机理均为准解理断裂。

关键词：电弧熔丝增材制造双金属件组织强化机理

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电弧熔丝增材制造传热传质数值模拟研究现状与展望

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机械工程学报 2024年第8期60卷 65-80页

作者：张云舒吴斌涛赵昀丁东红潘增喜李会军宁夏大学材料与新能源学院银川750021 江苏自动化研究所连云港222006 南京工业大学机械与动力工程学院南京211816 伍伦贡大学机械、材料、机电与生物工程学院澳大利亚伍伦贡2522

电弧熔丝增材制造具有设备成本低、制造效率高等特点,在航空航天、舰船、武器装备等领域具备广阔的应用前景。在复杂热循环的条件下,电弧行为、熔滴过渡、熔池流动与凝固以及沉积内部热积累效应等因素的耦合作用是决定结构成形与质量的... 详细信息

电弧熔丝增材制造具有设备成本低、制造效率高等特点,在航空航天、舰船、武器装备等领域具备广阔的应用前景。在复杂热循环的条件下,电弧行为、熔滴过渡、熔池流动与凝固以及沉积内部热积累效应等因素的耦合作用是决定结构成形与质量的关键,也是实现控形控性的理论基础。基于电弧熔丝增材制造的物理过程数值模拟研究现状,综述了不同热源类型电弧增材制造工艺过程中的物理机制,揭示了不同沉积过程传热传质行为的内在关联与区别。在此基础上,概述了常见形貌缺陷的形成机理、影响因素与其抑制策略,总结了不同主动控热控形控性方法的机制与特点,探讨了当前电弧熔丝增材制造传热传质数值模拟过程中存在的主要问题,并对其未来发展应用提出了思考与建议。

关键词：电弧熔丝增材制造数值模型传热传质形貌缺陷控热控形控性

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电弧熔丝增材制造2Cr13合金组织与性能各向异性行为

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金属学报 2023年第1期59卷 157-168页

作者：葛进国卢照何思亮孙妍殷硕桂林电子科技大学机电工程学院桂林541010 Trinity College Dublin The University of DublinDublin D02PN40Ireland 桂林电子科技大学材料科学与工程学院桂林541010 大连船舶重工集团有限公司设计研究院大连116005 扬州大学机械工程学院扬州225127

采用电弧熔丝增材制造(WAAM)技术进行多层单道结构2Cr13构件制备,揭示不同层间停留温度(110~550℃)下2Cr13电弧沉积件组织、性能各向异性演变规律,以实现关键工艺参数调控下力学性能主动控制。结果表明,550℃沉积件内针状马氏体因重熔... 详细信息

采用电弧熔丝增材制造(WAAM)技术进行多层单道结构2Cr13构件制备,揭示不同层间停留温度(110~550℃)下2Cr13电弧沉积件组织、性能各向异性演变规律,以实现关键工艺参数调控下力学性能主动控制。结果表明,550℃沉积件内针状马氏体因重熔碎晶呈细长外延状生长并具有略强织构取向,且于马氏体间隙处零散分布着很少量细小不规则逆变奥氏体。550℃沉积件因细晶强化获得了较高强度与硬度,但拉伸性能具有明显各向异性。110~180℃沉积件各区域间板条状马氏体虽大致沿沉积方向生长但无明显织构取向,马氏体晶粒因层间停留温度降低导致冷凝速率增加而略呈细化趋势。110~180℃沉积件因具有相近板条状马氏体组织,其力学性能较相近且呈各向同性。

关键词：电弧熔丝增材制造 2Cr13合金显微组织力学性能各向异性

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电弧熔丝增材制造碳钢与高强钢钢板的疲劳裂纹扩展速率

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工程力学 2024年

作者：郑元鹏陈涛邵振伟黄诚同济大学工程结构性能演化与控制教育部重点实验室同济大学建筑工程系福建省产品质量检验研究院帝国理工学院土木与环境工程系

对电弧熔丝增材制造（Wire arc additive manufacturing， WAAM）碳钢与高强钢钢板开展疲劳裂纹扩展速率（Fatigue crack growth rate， FCGR）试验。从采用平行路径打印方法生产的名义厚度为8 mm和3 mm的WAAM碳钢钢板以及名义厚度为3 m... 详细信息

对电弧熔丝增材制造（Wire arc additive manufacturing， WAAM）碳钢与高强钢钢板开展疲劳裂纹扩展速率（Fatigue crack growth rate， FCGR）试验。从采用平行路径打印方法生产的名义厚度为8 mm和3 mm的WAAM碳钢钢板以及名义厚度为3 mm的WAAM高强钢钢板上以三种不同角度切取材料加工制成紧凑拉伸（Compact-tension， CT）试件，开展应力比R为0.1的常幅加载疲劳试验。以Paris公式描述疲劳裂纹扩展速率，拟合并总结得出WAAM碳钢与高强钢钢板的Paris公式常数C与m均值与特征值。使用扫描电子显微镜观察试件的疲劳断面，从微观角度分析两种WAAM钢板宏观上疲劳裂纹扩展速率差异的原因。与规范推荐值以及文献中其他钢材的疲劳裂纹扩展速率相对比，讨论指出两种WAAM钢板的疲劳裂纹扩展速率与普通钢材相近，其中WAAM高强钢钢板的疲劳裂纹扩展速率优于WAAM碳钢，并且低于规范推荐的常用均值，这样的现象与其在微观层面上的断面特点相关；疲劳裂纹扩展速率受加载角度的影响不明显；平行路径与振荡路径打印的碳钢钢板疲劳裂纹扩展速率接近，而平行路径打印的高强钢与振荡路径打印相比在疲劳裂纹扩展速率上更为稳定均一。

关键词：紧凑拉伸试件电弧熔丝增材制造金属3D打印疲劳裂纹扩展速率疲劳断面

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镁合金电弧熔丝增材制造技术研究现状与展望

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金属学报 2025年第3期61卷 397-419页

作者：黄科李新志方学伟卢秉恒西安交通大学机械工程学院西安710049

电弧熔丝增材制造(WAAM)作为一种新兴的增材制造工艺,具有沉积效率高、成本低等优势,有望实现大型轻质镁合金复杂构件的一体化成形和规模化生产。然而,由于镁合金的低熔/沸点和高导热率等材料特性,导致WAAM构件中存在非均匀组织、冶金... 详细信息

电弧熔丝增材制造(WAAM)作为一种新兴的增材制造工艺,具有沉积效率高、成本低等优势,有望实现大型轻质镁合金复杂构件的一体化成形和规模化生产。然而,由于镁合金的低熔/沸点和高导热率等材料特性,导致WAAM构件中存在非均匀组织、冶金缺陷及应力变形,大幅降低了材料的可靠性和服役寿命,难以满足高端装备领域的使役要求,是亟需攻克的瓶颈问题。本文首先阐述了WAAM成形镁合金的工艺优势和技术挑战,然后从主流工艺、成形质量、冶金缺陷、组织特征和综合性能5个方面综述了近年来国内外关于镁合金WAAM成形方面的研究,并总结了基于液态熔池和固态层间的在线调控策略以及基于热处理和表面强化的整体后处理方案,为大型复杂镁合金构件的高质量成形提供相应的理论基础和指导策略。最后,从材料成分设计、组织缺陷在线调控、后处理形性协同调控以及构件性能评价等方面对WAAM镁合金的未来发展趋势与研究方向进行了总结与展望。

关键词：电弧熔丝增材制造镁合金冶金缺陷微观组织综合性能调控策略

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Cu合金在电弧熔丝增材制造过程中的组织与力学性能演化

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Journal of Central South University 2023年第2期30卷 400-411页

作者：张青科杨杰孙文声宋振纶 Key Laboratory of Marine Materials and Related Technologies Zhejiang Key Laboratory of Marine Materials and Protective TechnologiesNingbo Institute of Materials Technology and EngineeringChinese Academy of SciencesNingbo 315201China Ningbo Boway Alloy Materials Co. Ltd.Ningbo 315100China

本文研究了Cu-8Al合金在电弧熔丝增材制造过程中的微观组织、物相、显微硬度和拉伸性能的演化行为。结果表明,刚沉积的CuAl合金晶粒为尺寸较大的枝晶,在后道次的热影响作用下转变成较细小的柱状晶,而后柱状晶长大,直到晶粒尺寸在距样品... 详细信息

本文研究了Cu-8Al合金在电弧熔丝增材制造过程中的微观组织、物相、显微硬度和拉伸性能的演化行为。结果表明,刚沉积的CuAl合金晶粒为尺寸较大的枝晶,在后道次的热影响作用下转变成较细小的柱状晶,而后柱状晶长大,直到晶粒尺寸在距样品端部几毫米的位置趋于稳定。刚沉积的CuAl合金发生Al的枝晶偏析,但在后道次热影响的作用下偏析可消除,使合金组织和成分均匀化。板状样品端部即最后沉积未受后续热影响的位置显微硬度高达HV 160,但随着Al偏析的消除以及枝晶转变成柱状晶,硬度降低到HV 80。原位拉伸结果显示CuAl合金板的抗拉强度高达400 MPa,伸长率可达50%,其屈服强度还有一定的提升空间。拉伸过程中原位观察到了位错滑移和晶粒转动,断裂机制总体为韧窝断裂,端部屈服强度更高、塑性略低、晶粒转动更普遍。总体上电弧熔丝增材制造的CuAl合金板除端部之外组织均匀,具备良好的力学性能。如需其组织性能均匀,或要求高耐蚀性,有必要在沉积后对端部进行局部热处理;如需更好的耐磨性能则不需处理。可进一步添加少量析出强化元素提高CuAl合金的强度与耐磨性能。

关键词：电弧熔丝增材制造 CuAl合金枝晶偏析晶粒转变显微硬度

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热处理对电弧熔丝增材制造核电用铁素体/马氏体钢微观组织与力学性能的影响

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焊接学报 2023年第10期44卷 18-26,I0003,I0004页

作者：周亚举尹圣铭夏永中易果强薛丽红严有为华中科技大学材料加工与模具技术国家重点实验室武汉430074 华中科技大学武汉430074

采用电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)技术制备了低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM钢),通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等观察微观组织变化,通过... 详细信息

采用电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)技术制备了低活化铁素体/马氏体钢(reduced activation ferrite/martensite steel,RAFM钢),通过光学显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜等观察微观组织变化,通过拉伸试验进行力学性能测试,研究了热处理工艺对其微观组织和力学性能的影响.结果表明,打印态的RAFM钢微观组织为铁素体+回火马氏体的双相组织,平均晶粒尺寸约为1.51μm.经过热处理,RAFM钢的晶粒尺寸没有明显增长(1.84μm),并在微观组织中保留了高密度位错.此外,热处理后高数密度TiO2二次相纳米颗粒在基体中析出,并弥散分布在基体中,其尺寸在5~10 nm.热处理后的RAFM钢抗拉强度显著提高,断后伸长率略微下降,其室温抗拉强度为1080 MPa,在650℃下测试的抗拉强度仍可达285 MPa.创新点:(1)系统研究热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢的相组成、晶粒尺寸、析出相的影响.(2)阐明热处理对电弧熔丝增材制造低活化铁素体马氏体钢力学性能的强化机制.

关键词：电弧熔丝增材制造低活化铁素体/马氏体钢热处理显微组织

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金属材料电弧熔丝增材制造研究现状与质量改进方法

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2023年第4期33卷 969-996页

作者：李彦朋王长瑞杜小东田威张涛胡俊山李波李鹏程廖文和南京航空航天大学机电学院南京210016 School of Aerospace Transport and ManufacturingCranfield UniversityMK430ALUnited Kingdom 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001 中国电子科技集团公司第二十九研究所成都610036 中南大学轻合金研究院长沙410083 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室长沙410083 南京理工大学机械工程学院南京210094

电弧熔丝增材制造(WAAM)是一种增材制造技术,近年来在工业上有很大的发展潜力。总结目前WAAM的研究现状和面临的挑战,并提出质量改进的方法。综述WAAM在表面质量、成形精度、显微组织、力学性能、残余应力和变形、孔隙及其他缺陷等方面... 详细信息

电弧熔丝增材制造(WAAM)是一种增材制造技术,近年来在工业上有很大的发展潜力。总结目前WAAM的研究现状和面临的挑战,并提出质量改进的方法。综述WAAM在表面质量、成形精度、显微组织、力学性能、残余应力和变形、孔隙及其他缺陷等方面的研究现状。从前处理、在线处理和后处理3个方面总结消除缺陷、改善显微组织和提高力学性能的方法。WAAM的广泛应用仍然存在许多挑战,可能需要从多个角度出发来实现WAAM的工业化应用。路径规划和切片算法的开发、在线监测系统与现有WAAM设备的结合、后处理技术的复合等将是未来的重点研究方向。

关键词：电弧熔丝增材制造材料性能改善工艺参数控制在线监测后处理

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时效处理对电弧熔丝增材制造2319铝合金性能及断裂行为的影响

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金属热处理 2024年第8期49卷 60-66页

作者：华文娟张建勋西安增材制造国家研究院有限公司陕西西安710065

研究了时效时间对电弧熔丝增材制造2319铝合金微观组织与力学性能的影响,并对拉伸试样的断裂机理进行分析。结果表明,随着时效时间的延长,合金内部析出相数量逐渐增加,尺寸增大。析出相主要为Al2Cu,同时还有富Fe、Mn杂质相。时效后合金... 详细信息

研究了时效时间对电弧熔丝增材制造2319铝合金微观组织与力学性能的影响,并对拉伸试样的断裂机理进行分析。结果表明,随着时效时间的延长,合金内部析出相数量逐渐增加,尺寸增大。析出相主要为Al2Cu,同时还有富Fe、Mn杂质相。时效后合金水平方向的抗拉强提升至450 MPa,垂直方向抗拉强度达到350 MPa,但是伸长率下降。微小气孔的聚集,θ(Al_(2)Cu)相以及富Fe、Mn杂质相沿晶界的偏聚,造成水平方向和垂直方向各向异性,同时大量微气孔沿层间分布,微小气孔聚集连接长大,形成裂纹导致样件断裂失效。

关键词：电弧熔丝增材制造 2319铝合金微观组织力学性能时效断裂机理

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电弧熔丝增材制造Al-Cu合金组织与性能研究

电弧熔丝增材制造Al-Cu合金组织与性能研究

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作者：苗佳乐江西理工大学

学位级别：硕士

电弧熔丝增材制造技术(Wire arc additive manufacturing,WAAM)作为一种制造周期短、无需模具以及材料利用率高的革命性制造技术,是制备中大型合金构件最为重要的方法之一。Al-Cu系合金由于具有比强度高、重量轻、耐热性优异等特点,是... 详细信息

电弧熔丝增材制造技术(Wire arc additive manufacturing,WAAM)作为一种制造周期短、无需模具以及材料利用率高的革命性制造技术,是制备中大型合金构件最为重要的方法之一。Al-Cu系合金由于具有比强度高、重量轻、耐热性优异等特点,是电弧熔丝增材制造工艺中常用的铝合金之一。本文通过WAAM工艺制备Al-Cu合金构件,研究不同沉积速度、不同热处理工艺与TiC纳米粒子改性对增材制造Al-Cu合金构件微观组织与力学性能的影响,并获得综合力学性能卓越的Al-Cu合金增材构件,重点探讨沉积速度对合金显微组织及拉伸力学性能的影响;分析固溶处理对孔隙率和时效硬化效果的之间的关系,以及孔隙率对合金构件硬度、拉伸力学性能和疲劳性能的影响;并深入研究TiC纳米粒子改性对WAAM制备Al-Cu合金构件的孔隙率、力学性能和热稳定性的影响。得出以下主要结论: (1)较快沉积速度下制备的Al-Cu合金构件的晶粒更细,初生第二相的含量更低。固溶处理后试样的时效硬化响应明显快于直接时效处理的试样,峰值硬度更高。沉积态和T6热处理态合金的拉伸力学性能均表现出各向异性,且后者更为显著。各向异性的主要原因是样品层间孔隙度较高,且T6热处理态合金的层间孔隙更为明显。 (2)经530℃固溶热处理1 h后,可获得低孔隙率(2.4%)与较高峰值硬度(148.2 HV1)的Al-Cu合金;而较高的固溶温度会显著增加合金的孔隙率,延长固溶时间同样会导致孔隙率增加、微孔生长、形成微裂纹和孔洞等问题。孔隙率对合金构件疲劳性能的影响大于对拉伸力学性能的影响。拉伸试验结果表明,孔隙率对T6热处理合金强度的影响有限,且远小于析出相诱导的析出强化;疲劳裂纹扩展试验结果表明,孔隙率对T6热处理态合金的疲劳裂纹扩展行为起主导作用。 (3)添加TiC纳米粒子,使WAAM制备的Al-Cu合金的孔隙率与合金的性能得到了明显改善。Al-Cu合金经过高温固溶处理后,孔隙数量以及孔隙的尺寸大幅度增加,延长固溶时间会导致孔隙率进一步增加、微孔生长以及孔隙聚集形成空腔等问题;而AlCu/TiCnp合金经过固溶热处理以及延长固溶时间后孔隙的数量、尺寸以及孔隙率无明显变化。相比于Al-Cu/TiCnp合金,Al-Cu合金经过T6热处理后延伸率极大幅度降低,且拉伸性能各向异性显著。此外,TiC纳米颗粒的添加能够显著改善Al-Cu合金的热稳定性。

关键词：电弧熔丝增材制造铝合金孔隙力学性能各向异性

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