2319铝合金点阵结构电弧熔丝增材制造工艺与性能研究

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铝合金点阵结构具有轻质、比强度高、隔热、吸能减震和消音降噪等诸多优点,被广泛应用于航空航天领域。现有的点阵结构制造方法对材料和结构方面均有严格要求,使制造点阵的材料与结构设计自由度受到了限制,而电弧熔丝增材制造作为一种以电弧为热源,熔化金属丝材逐层堆积金属实现实体构件成形的方法,适用于任何金属材料、复杂形式点阵结构的制备。本文研究了2319铝合金点阵结构的电弧熔丝增材制造工艺和性能,并增材制造出点阵结构示范件。首先,研究了电弧增材制造的工艺参数对点阵结构单元杆件结构参数(直径和角度)的影响。通过控制增材制造过程中的熔滴体积与熔滴个数可制备不同直径的点阵单元杆件,其中熔滴的体积大小取决于电源脉冲波形中的电流、电压和脉冲周期,电弧熔丝增材制造出直径为2.50-7.00mm的单元杆件,其相对误差在2.0%以内。通过控制增材制造过程中电弧枪层间的提升量与偏移量可制备不同角度的点阵单元杆件,电弧熔丝增材制造出角度为15°-90°的单元杆件,相对误差不超过4.0%。进一步,制定了点阵结构的电弧熔丝增材制造策略,制备出了铝合金点阵结构示范件,分析了其力学性能和微观组织特征。根据结构特征,将点阵结构划分为两个部分:单元杆件部分和节点部分,分别制定各部分相应的增材制造策略。通过控制点阵结构单元杆件的直径与角度,按照点阵结构增材制造策略制备出4×14×3单元金字塔点阵结构,从宏观形态上看,各点阵结构单元的拓扑结构与理论模型相差不大。电弧熔丝增材制造2319铝合金点阵结构单元杆件的抗压强度为58.53MPa,强度较低,需进行热处理强化。其微观组织呈现层状分布,将其分为层中和层间两个区域,层中区域微观组织为等轴晶,层间区域微观组织并不是十分规律,主要为树枝晶。第二相为θ-Al2Cu相,与α-Al以共晶组织形式析出,同时针状沉淀相θ’很少导致了材料的强度不足。最后,通过正交试验的方法研究热处理工艺(包括固溶温度、固溶时间、时效温度以及时效时间)对2319铝合金点阵结构的性能与组织的影响,得到了最佳T6热处理工艺规范:固溶温度为530℃、固溶时间为60min、时效温度为175℃、时效时间为24h,在最佳热处理工艺下电弧熔丝增材制造2319铝合金点阵结构的抗压强达到76.08MP,相比于热处理前点阵结构的抗压强度增加了30.0%。
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