【摘 要】
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TiB2颗粒增强铝基复合材料具有力学性能高、加工性能好等诸多优点,已成为航空航天、国防军工、机械制造等众多领域的潜能材料。将该类复合材料制成丝材,探索合适的熔化方法实现增材制造,是进一步拓宽其应用领域,充分发挥性能优势的新的研究课题。本文研究工作以TiB2/6056铝基复合材料丝材为焊材,冷金属过渡（CMT）技术为加热方式,探索TiB2颗粒增强铝基复合材料丝材的电弧增材（WAAM）工艺,研究增材件
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TiB2颗粒增强铝基复合材料具有力学性能高、加工性能好等诸多优点,已成为航空航天、国防军工、机械制造等众多领域的潜能材料。将该类复合材料制成丝材,探索合适的熔化方法实现增材制造,是进一步拓宽其应用领域,充分发挥性能优势的新的研究课题。本文研究工作以TiB2/6056铝基复合材料丝材为焊材,冷金属过渡（CMT）技术为加热方式,探索TiB2颗粒增强铝基复合材料丝材的电弧增材（WAAM）工艺,研究增材件的微观组织和性能。具体工作主要包括三大部分:前两部分采用数值模拟和试验探索相结合的方法,研究TiB2/6056铝基复合材料丝材WAAM-CMT增材成形的问题和难点,优化其增材制造工艺参数;第三部分采用试验获得的最优工艺制备尺寸较大的TiB2/6056铝基复合材料增材件,详细研究增材件微观组织特点,分析其力学性能,揭示WAAM-CMT成形TiB2/6056复合材料的强化机制。WAAM-CMT数值模拟研究结果表明:电弧增材过程中,增材件内部的温度和应力经历了反复的升降,存在增材层重熔和应力释放现象,残余应力主要分布在增材件中部。增加层间等待时间,有利于降低增材件内部热积累,可有效避免增材件出现下塌陷缺陷。WAAM-CMT工艺探索研究结果表明:增材过程中热输入对增材层的微观组织和成形质量有非常大的影响。单层单道试验发现,热输入在1200～2400J/cm焊道成形良好。增大热输入,有利于降低增材焊道的气孔率;焊道的熔宽和余高随着之增大;增材层组织由树枝晶→胞状晶→等轴晶转变。单层多道试验表明:道间间距为3.45mm时,增材层表面光滑、成形良好,搭接区域几乎没有较大的沟壑,成形精度较高。单道多层试验发现:热输入为1625J/cm,机器手臂Z轴抬升量为1.5mm,层间等待时间40s,采用往复增材路径可获得成形质量良好的增材件。WAAM-CMT增材件的组织和性能研究结果表明:逐层增材中各增材层受热和散热的程度不同导致沉积态增材件的组织分布不均匀,底部的晶粒尺寸最为细小,中部的晶粒尺寸较粗大,顶部为细小的树枝晶;增材件中的TiB2颗粒和化合物相主要分布在α-Al的晶间位置。T6热处理后,增材件内部晶粒尺寸有所增大,枝晶偏析现象明显消除,晶界上的化合物相回溶到铝基体中,晶界变窄。热处理后增材件在3.5wt%Na Cl溶液中抗腐蚀性能明显提高;显微硬度是沉积态的1.4倍,达到115.5Hv;XY方向抗拉强度达到312MPa,与沉积态相比提高了24.8%,Z方向抗拉强度达306MPa,与沉积态相比提高了33%。分析认为,WAAM-CMT成形TiB2/6056复合材料的强化机制为:TiB2增强颗粒的Orowan强化和经热处理后析出化合物相引起的弥散强化。
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