【摘 要】
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电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是金属零件快速成形技术的一种,具有成形效率高、设备成本低等特点。超高强钢因优异的力学性能而被广泛关注。现阶段采用增材制造技术制造超高强钢的研究多集中在激光增材制造方面,而采用电弧增材制造工艺的研究较少。激光增材制造技术存在熔敷效率低、增材件致密度难以保证的问题,不适合增材制造中大型构建。基于此,本文
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电弧增材制造技术(Wire and Arc Additive Manufacturing,WAAM)是金属零件快速成形技术的一种,具有成形效率高、设备成本低等特点。超高强钢因优异的力学性能而被广泛关注。现阶段采用增材制造技术制造超高强钢的研究多集中在激光增材制造方面,而采用电弧增材制造工艺的研究较少。激光增材制造技术存在熔敷效率低、增材件致密度难以保证的问题,不适合增材制造中大型构建。基于此,本文以自制18Ni(350)超高强钢焊丝为研究对象,采用熔化极电弧增材制造工艺制造18Ni(350)超高强钢。主要研究了增材件成形工艺,沉积态增材件组织性能,热处理工艺及热处理态增材件的组织性能。同时开展了在增材过程中引入超声冲击试验,研究了超声冲击作用下成形件的组织性能。首先进行了18Ni(350)马氏体钢单层单道成形工艺试验,确定了成形良好的工艺参数范围。研究表明脉冲模式下单层单道成形质量比CMT模式下单层单道成形质量好。脉冲模式下单层单道表面光滑,未见孔洞等影响成形质量的缺陷,良好成形参数范围广。其次,使用优化后的增材工艺参数进行了单道多层成形试验,研究了不同工艺参数下单墙体的组织性能。研究发现各单墙体组织差异较小,均由树枝晶构成,其中,树枝晶区域为马氏体,枝晶间区域为奥氏体。单墙体顶部硬度平均值为325 HV1.0,中部和底部硬度为510 HV1.0。横向抗拉强度平均值为1212.3±173.2 MPa,延伸率为0.9±0.6%;纵向抗拉强度平均值为1481.1±5.9 MPa,延伸率为4.8±3.5%。在此基础上结合18Ni(350)马氏体钢强化特性和增材态组织性能特点,进行了热处理工艺试验。研究表明,在1050℃~1150℃固溶温度范围内试样固溶效果较好,固溶后试样中元素偏析消失,组织由树枝晶转变为等轴晶;试样各区域之间硬度值差异小、抗拉强度各向异性消失,延伸率提高显著。固溶试样经480℃×6 h时效处理后,组织基体中生成弥散分布的Ni3Ti、Ni3Mo强化相,试样硬度平均值为624±24.8 HV1.0、横向和纵向抗拉强度相当,分别为2123 MPa、2163 MPa,延伸率分别未为6.8%和5.4%,基本和传统工艺最佳状态下试样性能(抗拉强度2450 MPa,延伸率7%)相当。最后,进行了在GMA增材制造18Ni(350)过程中加入超声冲击试验,对比研究了超声冲击作用下成形件的组织性能,结果表明超声冲击后,成形件组织由柱状树枝晶变为短棒状或粒状晶,晶粒尺寸平均值从10.4μm减小到6.2μm。横向和纵向拉伸性能相当,抗拉强度为1104±28 MPa,延伸率为2.6±0.5%,硬度为482±40.3 HV1.0。热处理后超声冲击件抗拉强度为2079±46 MPa,延伸率为6.8±0.8%,硬度为561±19.7HV1.0。热处理后超声冲击件性能较相同热处理工艺下未冲击件性能提高显著。
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