双相不锈钢电弧增材制造热力场数值模拟与工艺优化

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电弧增材制造(Wire Arc Additive Manufecturing,WAAM)技术是以电弧作为热源,采用堆焊的方式打印金属零件的新型技术。其特点是设备造价低、工作效率高以及增材尺寸范围大。数值模拟研究方法以有限元理论为原理,利用软件模拟实际工况,其特点是减少实验成本和周期。ER2209双相不锈钢具有铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的特点,广泛应用在建筑、海洋和化工领域。本文以ANSYS软件为模拟软件,ER2209双相不锈钢为研究材料,模拟WAAM过程中热力场(温度场和应力场)分布,对增材零件形状和性能进行分析。采用ANSYS软件对WAAM过程中热力场进行模拟,分别采用多通道温度测量系统和X射线应力仪对温度场和应力场进行测量。利用模拟结果指导实验,采用WAAM系统打印形状良好的成型件。采用金相显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、万能拉伸仪、维氏硬度计、纳米压痕测量仪和电化学工作站对零件组织和性能进行分析。利用正交实验确定一组工艺参数,可以使电弧稳定存在且试件表面平整。其中,增材电压为23V,焊接速度为200mm/min,送丝速度为11m/min。利用准确的模型分析表明,温度最高值出现在增材试样末端。随着温度降低,应力场逐渐增大,温度降到室温时,应力值最大为445MPa,其小于材料的抗拉强度,试样表面不会出现裂纹。当以ER2209双相不锈钢为增材材料时,温度随着增材电压、增材电流和增材层数的增加而增加,随着层间冷却时间和焊接速度的增加而减少。同向增材试样较反向增材试样更容易塌陷。基板通水冷却可以明显减少温度场累积。随着增材层数增加,等效应力在试样上分布不均匀,最大等效应力基本不变。冷却方式不同时,等效应力在试样上分布基本均匀,水冷最大等效应力大于空冷最大等效应力。以下层边缘温度不超过熔点作为零件不会塌陷的标准,每层高度增加量与层间冷却后平均温度之间的关系是:空冷状态增加量从3.25mm逐渐减少趋于2.37mm,水冷状态增加量从3.62mm逐渐减少并趋于2.38mm。当以ER2209双相不锈钢为增材材料时,组织中存在铁素体和奥氏体,没有Sigma相产生。WAAM零件的组织不均匀,空冷状态铁素体含量从40.49%降到21.76%,水冷状态铁素体含量从45.37%降到30.54%。WAAM零件不同区域,抗拉强度相差68MPa,延伸率相差6.5%,硬度相差10HV,点蚀电位相差0.4V。通过固溶处理,零件组织基本均匀。
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