扫描策略对电弧增材制造QSi3-1铜合金开裂行为的影响

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QSi3-1铜合金以其优良的使用性能、工艺性能及力学性能等特点,被广泛应用于航空航天、国防军工、轨道交通等领域。与传统制造技术相比,采用电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufacture,WAAM)技术成形QSi3-1铜合金零件,其优势表现为无需模具、制造周期短、成形效率高;与以激光为热源的激光增材制造技术相比,该技术的主要优势不仅表现为成形效率高、成形大尺寸零件不明显增加设备成本,而且因为该技术的热源为电弧,能解决激光增材制造工艺因铜材对激光的反射率过高而带来的零件成形困难这一问题。采用WAAM技术成形QSi3-1铜合金零件时,成形件开裂往往成为制约该技术应用的突出问题。而电弧扫描策略如扫描方式、扫描长度和沉积高度等,作为影响该技术成形零件质量的关键因素,能极大地影响成形零件的开裂行为。鉴于此,本文以QSi3-1铜合金回转体为研究对象,探究回转体扫描长度与沉积高度对回转体零件开裂行为的影响规律,并确定最佳的扫描长度和沉积高度。基于短段多层电弧焊传热理论,确定了WAAM成形QSi3-1铜合金回转体的扫描长度与沉积高度的最佳取值范围。在该取值范围内,设计出不同扫描长度和不同沉积高度条件下的二因素三水平实验。通过渗透探伤无损检测实验方法,研究了WAAM成形的QSi3-1铜合金回转体不同扫描长度和沉积高度处的表面、横截面和纵截面裂纹的分布特征,同时分析了扫描长度和沉积高度对裂纹产生规律的影响。渗透探伤实验结果表明,合适的扫描长度l的取值范围为150~200 mm,合适的沉积高度h的取值范围为40~80mm。在此基础上,首先借助扫描电子显微镜(SEM)及其附带的能量色散谱仪(EDS),对不同扫描长度条件下回转体截面的裂纹数量、总长度等裂纹特征进行了观察和分析,研究了扫描长度对回转体截面裂纹的影响规律,确定出最佳的扫描长度为200 mm;然后,对不同沉积高度的回转体截面裂纹特征进行了观察和分析,研究了沉积高度对回转体截面裂纹的影响规律,确定出最佳的沉积高度为40 mm。为了进一步分析回转体裂纹的产生机理,借助金相显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM),对不同扫描长度和沉积高度条件下WAAM回转体不同位置处裂纹的走向和分布等显微特征进行了观察;通过X射线衍射仪(XRD)对回转体截面进行了物相定性分析。结果表明,裂纹的产生与WAAM热循环特征相关,不同沉积高度处的冷却速度不同,会导致晶粒尺寸差异较大,在冷却时发生不均匀收缩而产生的拉伸变形超过临界值,加上合金中Mn元素的偏析,将沿晶界开裂产生裂纹。晶格畸变与晶粒择优取向生长均会使产生的裂纹增加,而选择合适的扫描长度与沉积高度能够改善晶粒的择优生长现象,从而使产生的裂纹减少。最后,结合WAAM成形工艺的热循环特征,基于传热理论对回转体不同沉积高度处熔池的传热过程进行理论计算,确定了更为精确的沉积高度h的取值应为58.4 mm。
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