铜合金激光-电弧复合增材制造工艺及性能研究

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随着科技的发展,航空航天、汽车船舶等产业不断地发展升级,相关领域重要零部件的使役环境越来越恶劣,因此对相关零部件的材料性能提出了更高的要求。铜-铬-锆合金材料具有高导电导热性能的同时,强度高、抗软化温度高、耐磨性能好,已经成为大推力火箭发动机燃烧室、火箭发动机喷管、船用螺旋桨等的理想材料,在航空航天、军工国防、海洋船舶等行业都得到了广泛的应用。现阶段,相关领域零部件正朝着复杂化、精密化、结构一体化方向发展,传统的制造工艺,如锻造、铸造等,效率低,工艺过程复杂、成本高、复杂构件成型困难;增材制造(激光增材制造、电弧增材制造)作为一种新兴的加工工艺,加工灵活性高、生产周期短、成本低,是铜合金构件的有效制造方式之一。但激光增材制造中,材料对激光的反射率高,样件致密度低;电弧增材制造中,样件成型精度低,微观组织粗大。为解决上述问题,本文提出了激光-TIG电弧复合增材制造工艺。通过激光与电弧的耦合作用,提高铜合金对激光的利用率,改善样件组织粗大,力学性能差的问题,实现铜-铬-锆合金薄壁样件与圆筒构件的增材制造。对TIG电弧薄壁样件与激光-TIG电弧复合薄壁样件的微观组织和力学性能进行对比研究。主要的研究内容与结论如下:(1)开展了铜合金增材制造工艺实验,优化了TIG电弧工艺参数与激光-TIG电弧复合工艺参数。制备了无裂纹、气孔缺陷的TIG电弧薄壁样件与激光-TIG电弧复合薄壁样件。同时在优化工艺条件下,实现了形貌良好的圆筒构件的增材制造。(2)揭示了不同工艺条件下,样件在宏观形貌、晶粒形态、织构取向、物相组成方面的演变规律,明确了激光热源的作用对薄壁样件宏观形貌与微观组织的影响机理。研究表明,激光-TIG电弧复合样件相对于TIG电弧样件晶粒明显细化,柱状晶长宽比降低;激光热源的加入,样件物相组形成没有发生变化,但织构强度减小;复合样件内部具有更多均匀分布的析出相Cr相,与基体之间保持共格关系。(3)明确了TIG电弧与激光-TIG电弧复合样件的导电性能、显微硬度与拉伸性能,揭示了激光热源对样件导电性能与力学性能的影响机理。对比分析表明,激光热源作用下,样件电导率减小10.3%,显微硬度增加9.4%,抗拉强度提高11.6%,伸长率增加13.1%。析出相数量增多引起的析出强化作用是复合样件拉伸性能提升的主要原因。
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