電弧增材制造的研究現(xiàn)狀摘要本文采用MIG電弧增材制造技術，運用工業(yè)數控機床控制焊槍的行進路徑，以ER5356鋁合金焊絲為沉積材料，通過送粉機構添加的B4C顆粒為增強相，制備B4C/Al5356復合材料。研究復合材料的成形工藝。經研究分析，得到以下結論：1、電弧增材制造過程中由于熱輸入不斷的累積，導致沉積層的成型出現(xiàn)塌陷，通過在系統(tǒng)引入水循環(huán)冷卻板并采用夾具將基板固定在水循環(huán)冷卻板上，使其在增材制造過程中擁有較好的平整度并使沉積層的成型高度穩(wěn)定。2、工藝對沉積層宏觀形貌、層寬、層厚以及氣孔率的影響：同軸送粉能夠促進B4C顆粒與基體材料的融合；隨著電流的增大，熔化的液態(tài)金屬在高溫的停留時間變長，其潤濕性增加，使其有足夠長的時間進行鋪展，導致層寬增大，層高減小，截面的形貌變得逐漸扁平化；沉積速度減小可增加電弧的作用時間，從而層寬增大，沉積層有足夠的時間凝固，內部氣體得到有效的釋放，導致沉積層的氣孔率減??；噴嘴高度大，產生的電弧所覆蓋的區(qū)域就廣，金屬液體過多造成下淌，導致沉積層層寬較大。3、在多層沉積梯度分布B4C顆粒增強鋁基復合材料的制備研究中，看出由下至上各層沉積層中顆粒的含量逐漸增加，而高含量情況下其易團聚，隨著含量增加氣孔比例也增加。關鍵詞：電弧增材制造；鋁基復合材料；5356鋁合金；B4C顆粒；梯度分布AbstractInthispaper,theMIGarcadditivemanufacturingtechnologyisused,theindustrialCNCmachinetoolisusedtocontrolthetravelpathoftheweldinggun,theER5356aluminumalloyweldingwireisusedasthedepositionmaterial,andtheB4CparticlesaddedbythepowderfeedingmechanismareusedasthereinforcingphasetopreparetheB4C/Al5356compositematerial.Studytheformingprocessofcompositematerials.Afterresearchandanalysis,thefollowingconclusionswereobtained:1.Duetothecontinuousaccumulationofheatinputduringthearcadditivemanufacturingprocess,theformationofthedepositedlayercollapses.Byintroducingawatercirculationcoolingplateinthesystem,thesubstrateisfixedonthewatercirculationcoolingplatebyusingfixturestomakeitintheadditivemanufacturingprocess.Ithasgoodflatnessandmakestheformationofthedepositedlayerhighlystable.2.Theeffectoftheprocessonthemacroscopicmorphology,layerwidth,layerthicknessandporosityofthedepositedlayer:coaxialpowderfeedingcanpromotethefusionofB4Cparticlesandthematrixmaterial;asthecurrentincreases,themoltenliquidmetalstaysathightemperatureAsthetimebecomeslonger,thewettabilityincreases,sothatithasenoughtimetospread,resultinginanincreaseinlayerwidthandadecreaseinlayerheight,andthemorphologyofthecrosssectionbecomesgraduallyflattened;areductionindepositionspeedcanincreasetheroleofarcTime,thelayerwidthincreases,thedepositedlayerhasenoughtimetosolidify,andtheinternalgasiseffectivelyreleased,resultinginareducedporosityofthedepositedlayer;thenozzleheightislarge,theareacoveredbythegeneratedarciswide,andthemetalliquidistoomuchItcausesdrooping,resultinginalargerlayerwidthofthedepositedlayer.3.InthepreparationstudyofthemultilayerdepositiongradientdistributionB4Cparticlereinforcedaluminummatrixcomposites,itcanbeseenthatthecontentofparticlesineachlayerofthedepositionlayerfrombottomtotopgraduallyincreases,butitiseasytoagglomerateunderhighcontent,andtheporesincreasewiththecontentTheproportionalsoincreased.Keywords:arcadditivemanufacturing;aluminummatrixcomposites;5356aluminumalloy;B4C;gradientdistribution.目錄TOC\o"1-3"\h\u20727第1章緒論 -42-緒論課題背景及意義隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展，新型材料及其技術等也隨之如沐春筍般瘋狂的涌現(xiàn)，俗話說，知識改變命運，科技改變世界，如今我們已經切身體會到高新技術以及高科技帶給世界人民的福利。其中，隨著近年來計算機數控技術,材料科學與工程技術以及焊接技術的不斷發(fā)展,使得擁有以上技術于一身的電弧增材制造技術也相應取得了飛速的進步。目前作為全世界的重點研究對象之一的電弧增材制造技術，它的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)制造技術的諸多工序限制，適合對小批量或者單個產品的原型進行制造。國內外也相應提出了電弧增材制造技術的發(fā)展計劃，早在2012年的2月，位于美國的國家科技委員會總統(tǒng)執(zhí)行辦公室發(fā)布了“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”的研究報告，列舉例了11項優(yōu)先發(fā)展的跨科學技術而增材制造技術就是其中之一[1]。而盡管我國在增材制造技術的相關研究與應用方面相比較國外稍稍晚一步，但隨著時代的進步，我國對增材制造的研究也已經今非昔比了。隨后在2015年3月5日的政府工作報告中，李克強總理在該報告會上提出了“中國制造2025”，其中就將增材制造納入了制造業(yè)的創(chuàng)新建設項目之一。而近年來，與傳統(tǒng)鋼鐵材料相比，鋁合金具有密度小、強度高等優(yōu)點尤其是它的耐腐蝕性、可加工性及焊接性好的優(yōu)勢更是使得其得到更加廣泛的應用。需要指出的是包括大部分鋁基合金都有較好的兼容性和輸送性能，可作為填充材料，使其能夠擁有不俗的性能，在科研過程中他也被納入通用的鋁基填充材料之一。鋁合金開始逐漸成為了應用最廣泛的金屬材料，其已被廣泛的在高鐵、機械制造業(yè)以及航空航天等領域投入應用[2]。而相應的如何保證高質量焊接鋁合金已經成為目前研究的熱點。作為鋁合金其中的一員——5系鋁合金，它是變形鋁合金中的一種，也稱鋁-鎂合金，作為可熱處理不可強化的合金，其擁有廣泛的應用前景。而其中5356鋁合金，它的含鎂量的范圍在3-5%之間，其具有密度小、強度高等優(yōu)點尤其是它的耐腐蝕性、可加工性及焊接性好的優(yōu)勢更是使得其得到更加廣泛的應用。需要指出的是包括大部分鋁基合金都有較好的兼容性和輸送性能，可作為填充材料，使其能夠擁有不俗的性能，在科研過程中他也被納入通用的鋁基填充材料之一。故本課題選用5356鋁合金進行分析，并在其中加入了碳化硼（B4C）陶瓷顆粒作為增強相來制造復合材料。而關于B4C/Al5356復合材料構件的制造，其中采用的B4C顆粒作為增強相材料，是因為其本身的熔點比較高，并且陶瓷材料與金屬材料的復合可以使得復合材料具有不俗性能優(yōu)勢，但是工藝對沉積層宏觀形貌、層寬、層厚以及氣孔率的影響不太明了，這都對材料的加工提出很高的要求，也是本課題研究的目標。由于在傳統(tǒng)的工業(yè)生產制造中，應用的增材制造技術的工藝和性能都難以達到當代制造業(yè)對零部件的特殊要求[3]，而金屬基復合材料產品的增材制造技術又存在材料、技術、工藝等多方面的挑戰(zhàn)，因此本課題就金屬基復合材料來制造高質量的金屬零件，旨在探討電弧增材制造B4C/Al5356復合材料構件的工藝對沉積層宏觀形貌、層寬、層厚以及氣孔率的影響規(guī)律，為鋁基復合材料構件的電弧增材制造技術電弧增材制造技術的進一步研究提供參考。電弧增材制造的研究現(xiàn)狀電弧增材制造(WireArcAdditiveManufacturing,WAAM)技術的制造原理有些和熔融沉積工藝類似，其是一種集多種工藝方法于一體的高新技術，它囊括了快速成型零部件、對零部件的設計、制造復合材料以及后續(xù)表面處理等多種工藝處理方式。它在制造過程中以電弧作為熱源焊絲作為填充材料，熔融的金屬絲材都被沉積，形成沉積層，使得其絲材的利用率高[4]；具有較高的沉積效率；屬于快速制造，整體制造的周期短；由于采用點線面的方式進行增材制造，它對零件尺寸的限制也少；可被用于修復零件，同時利用該技術還可以制造出類似晶須的大尺寸材料，該技術的出現(xiàn)對生活改善、人類的進步以及知識的創(chuàng)新都具有將其重要的意義。然而目前金屬基復合材料產品的增材制造技術存在材料、技術、工藝等多方面的挑戰(zhàn)。隨著科學技術的高速發(fā)展，電弧增材制造技術已經成為國內外研究人員的熱點技術。1.2.1國外研究現(xiàn)狀電弧增材制造技術最早是由德國的鋼鐵制造公司在20世紀時與瑞士公司聯(lián)合，采用埋弧焊(SAW)的焊接方法來增材制造大型的壓力容器，相比傳統(tǒng)制造的壓力容器，它擁有較之良好的力學性能。在實際應用中展現(xiàn)出良好的屈服強度、抗拉強度、以及不俗的韌性。隨后在20世紀90年代中期，英國Rolls-Royce公司與克蘭菲爾德大學合作開展了高溫合金電弧增材制造技術的研究，他們利用鎳合金和鈦合金作為基體材料，成功制造了飛機發(fā)動機的重要零部件，其成功地被應用于飛機發(fā)動機高溫合金機匣的制造生產中，減少了材料金屬過多的浪費，節(jié)約了成本更加有利于對社會的可持續(xù)發(fā)展，歐洲航天局對此進行綜合評估，稱其為一種低耗能、綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的生產制造技術，特別適用于大規(guī)格貴金屬零件的增材制造[5]。美國SouthernMethodist大學的HWang等人[6]采用VP-GTAW工藝對4043鋁合金進行了生產制造實驗，分析了成形構件的組織性能、硬度和表面粗糙度等。該校Ouyang等人[7]利用變極性TIG焊接系統(tǒng)增材制造工藝制造出5356鋁合金零件，如圖1所示，研究了焊接參數與沉積層幾何尺寸的關系。他們在對電弧增材制造成型件的研究中發(fā)現(xiàn)，通過對基板預熱和控制該過程的熱輸入能夠將制造的成型件粗糙度控制在2μm以內，使之能得到更好的成形效果。圖1.1為變極性TIG焊接系統(tǒng)增材制造的零件。圖1.1變極性TIG焊接系統(tǒng)增材制造的零件[7]韓國科技研究中心Song等人[8]將GMAW成形與銑削技術相結合，通過加減聯(lián)合的技術，其中以增材制造過程作為加法，而銑削加工作為減法，兩者進行同步聯(lián)動工作，達到了金屬成型件的快速制造和相應的表面粗糙度相關要求，他們研究，實現(xiàn)了增材制造與銑削加工相結合的形式來制造金屬成型件的可行性。英國Cranfied大學的Martina等人[9]對電弧增材制造技術進行了大量研究工作。用于熔化金屬的熱源有GMAW，脈沖TIG，等離子弧等，形成基體材料以鈦合金為主。他們研究了工藝參數對沉積層的高度和寬度之間的影響，并采用高壓軋制法消除了殘余物沉積層的應力和變形。在國外國防軍事研究中，他們利用增材制造的相關技術對戰(zhàn)場平臺上受損部件的實時快速修復，還通過WAAM技術直接快速制造出了鈦合金與高強度鋼結合的大型結構件，此過程大大減少了整個制造周期。英國航空航天系統(tǒng)以及歐洲導彈制造商以及其他大型軍工企業(yè)和國家研究所都對該技術進行了大量研究工作。1.2.2國內研究現(xiàn)狀隨著增材制造技術在我國尖端領域的研究，并且應用后隨之帶來的巨大效益的影響，國內一些科研機構也都開始重視對這方面的技術的研究，目前我國增材制造技術雖還處于起步發(fā)展階段，不過也得到了不少該技術相應的研究進展。哈爾濱工業(yè)大學(威海)的劉一搏等人[10]以5356鋁合金為原材料，通過冷金屬過渡(CMT，coldmetaltransfer)技術來制造成型件，他們的研究發(fā)現(xiàn)隨著焊接電流的增大，不同焊接方法下的焊縫寬高比呈增大趨勢，當焊接速度超過60cm/min－1時，焊接速度對單一方法下的寬高比影響較小。天津大學材料科學與工程學院的申俊琦等人[11]在研究5356鋁合金的多層多道焊接快速成形的試樣的制備過程中，發(fā)現(xiàn)如果能夠控制層間冷卻時間達到一定的合適值，那將對成型件的宏觀形貌、微觀結構包括力學性能等都有重大影響。其中成型件的機械力學性能得到了相應的改善。層間間隔時間的變化可以讓整個試樣的制備獲得更好的致密性。在6、10和14min的條件下，對應的試樣的組織均勻性和致密性都良好。上?？臻g推進研究所的潘攀等人[12]研究脈沖變極性TIG焊對5A06鋁合金進行焊接，截取焊縫區(qū)觀察其組織性能時發(fā)現(xiàn)，隨著脈沖頻率的增加，制造得到的試樣的焊縫區(qū)組織由粗大的樹枝晶逐漸細化轉變?yōu)楦蛹毿〉牡容S晶使得其力學性能得到改善，得出選擇適當的脈沖頻率能夠達到細化焊縫組織晶粒的作用，從而可以提高焊縫的力學性能。大連交通大學的田仁勇等人[13]通過研究PAW和GMAW復合焊的形式針對材料的焊接接頭所產生的殘余應力與變形量進行了研究，結果表明與單一的MAG焊相比，作為等離子-MAG復合焊的確可以有效地降低材料在接頭處的殘余應力和變形，并且隨著焊縫坡口角度的減小，殘余應力與變形都相應的減小。西安理工大學的趙鵬康等人[14]利用ER5356鋁合金焊絲作為填充材料，以交流鎢極氬弧焊進行堆焊實驗，利用高速攝像采集系統(tǒng)來記錄整個堆焊過程中電弧的形態(tài)，研究了熱輸入對該過程中弧光強度、形態(tài)以及對成形件宏觀形貌的影響。結果表明當焊接線能量較大時，成形件的層寬較大整體表面光潔但是在起弧端凸起和熄弧端塌陷就尤為明顯。江西理工大學的羅勇等人[15]對GTAW神經網絡-PID溫度控制系統(tǒng)進行了研究。實驗表明，將該系統(tǒng)與表面金屬無線熱處理相結合可以有效提高整個金屬體的性能。南昌大學的李玉龍等人[16]利用GTAW技術對碳鋼進行增材制造，在該過程中通過視覺傳感系統(tǒng)對實時電弧進行了采集，他們發(fā)現(xiàn)在電壓反饋控制系統(tǒng)的輔助下進行增材制造能夠獲得成形良好的成型件。天津大學的尹玉環(huán)[17]同樣采用GTAW用于研究5356鋁合金零件的快速成型并研究了工藝參數對成型效果的影響。研究表明，當形成相同的層以獲得更好的成形效果時，可以獲得不同焊道之間的冷卻時間。對于整個成型零件，合理控制不同層之間的冷卻時間，對于獲得良好的成型結果也起著至關重要的作用。天津大學的杜乃成[18]利用機器人手臂進行鋁合金增材制造MIG焊的相關研究，在制造過程中利用紅外溫度計對監(jiān)測層與通道之間的溫度進行實測。實驗針對焊接熱輸入和基材的初始溫度進行了分析，研究表明，當焊接熱輸入量不足時，會增加整個系統(tǒng)的熱負荷并降低了焊劑的焊接質量和機械性能。華中科技大學丁冬平等人[19]以CO2氣體保護焊為焊接方法，研究其在進行增材制造過程中的工藝參數和焊接成形的路徑的影響，并且采用了規(guī)劃算法，結果針對實驗分析提出了不同類型的零件應使用不同路徑規(guī)劃算法來制造，圖1.2是該系統(tǒng)制造的斜壁花瓶體零件成形件。圖1.2斜壁花瓶體零件成形件[19]東北大學材料與冶金學院的顧江龍等人[20]用WAAM技術來制造2319鋁合金備直壁樣品，在沉積過程中采用15kN，30kN和45kN的載荷進行層間軋制。研究了兩種強化方法：層間冷加工和沉積后熱處理，研究了其對有無軋制WAAM合金的影響。裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室的朱勝[21]課題組將GMAW技術應用在設備維護的相關領域，并成功地修復制造了許多有故障的設備零件。另外，我國多所研究所等其他研究機構也都取得相關的研究成果。綜上，可以看出，目前的電弧增材制造主要集中于單一材料，對于金屬基復合材料涉及較少，特別是鋁-陶瓷復合材料的增材制造研究才剛剛起步。鑒于其在增材制造未來發(fā)展中的重要地位，本文針對上述現(xiàn)狀，探討工藝參數等作為因素變量，以分析工藝對沉積層宏觀形貌、層寬、層厚以及氣孔率的影響，為成形前工藝參數的選擇提供了參考范圍旨在研究電弧增材制造B4C/Al5356，為鋁基復合材料構件的電弧增材制造技術提供參考。1.3課題相關的技術基礎及原理1.3.1增材制造技術增材制造(AdditiveManufacturing，AM)[22]技術是基于堆焊的原理，先根據零部件的外觀掃描后進行三維建模，然后借助計算機輔助設備建立相應數字模型文件，再每次采用較少材料利用計算機數控系統(tǒng)來進行逐層堆積最終制造出成型件的高新技術。增材制造技術在制造的方式上突破了傳統(tǒng)的“減材制造”，不需像傳統(tǒng)制造那樣依賴多工序的結合而是利用熔融的材料，它是通過提前利用計算機數控技術編寫程序來設定好路線，通過“自下而上”逐層累加的方式來制造成型件的制造方法。在現(xiàn)如今增材制造俗稱“3D打印”，它采用了“互聯(lián)網+”的先進理念，事先進行計算機輔助設計再根據信息融合材料加工與成形技術進行零部件的制備。將增材制造與傳統(tǒng)加工模式進行對比的，相比其他傳統(tǒng)的制造工藝，增材制造具有快速制造、效率高、成本低以及智能化等優(yōu)點。在一般的增材制造過程中，研究人員制造的金屬結構零件是先將粉末或金屬絲材料融合在一起，然后再通過液態(tài)金屬凝固層逐層沉積而成。金屬零件的AM方法主要可分為四種：基于激光的，電子束的，等離子的和電弧焊的。激光增材制造激光增材制造使用激光作為熱源。由于激光熱源集中的優(yōu)點和其他優(yōu)點，它所制造的成型件的成形精度和拉伸強度較好，廣泛被應用于航空航天等尖端領域。激光增材制造技術是一種綜合制造技術，考慮了精密成型和高性能的需求。中國科學院研究生院的仲崇亮[23]對激光金屬沉積（LaserMetalDeposition，LMD）增材制造技術進行了研究，為高沉積率LMD增材制造技術的發(fā)展奠定一定的理論基礎和科學基礎。LMD工藝的制造過程中通常的送粉方式有兩種：同軸和側向兩種送粉方式，其對應的工藝原理示意圖如圖1.3所示。圖1.3LMD兩種送粉方式的工藝原理示意圖[23]激光增材制造提供了更好的內、外表面成品在更短的生產時間和精確的形狀。與其他AM過程相比，它可以提供具有理想的同構組成的組件。該工藝提供了更高的表面光潔度相比，由絲弧添加劑制造工藝。該系統(tǒng)的設計方式是，焊接所需的焊絲被連續(xù)地提供給系統(tǒng)，其中激光是熔化焊絲并進行焊接過程的能量來源。它通過低熱輸入精確運行節(jié)省能量，并產生最小失真。線基法和粉基法是激光增材制造的兩種方法。線不斷融化形成的沉積的方法，粉存在之前的基質激光掃描粉從頂部開始凝固，因此層固化層沉積的粉。NikolayK等人[24]對Ni基的合金粉末進行激光燒結，研究了工藝對輪廓成形的影響，實驗表明，采用兩種不同的方法可以實現(xiàn)對松散單組分金屬粉末的選擇性激光處理并指出球化現(xiàn)象是粉末顆粒之間的間隙形成的黑體吸收效應與顆粒能量接受之間產生偏差，使得激光照射在成形過程中對粉末層的不均勻加熱所產生的機理。實驗表明，在對疏松單組分金屬粉末進行選擇性激光處理時，球化過程呈現(xiàn)出一些特殊的特點。使用激光作為熱源的增材制造技術具有很大的優(yōu)勢，但其也存在相應的缺點：它的制造成型件的精度低，存在加工余量。而且作為制造設備的激光設備價格昂貴且在制造過程中還需要相應的冷卻設備這都需要較高的制造成本，在制造過程中的能量傳遞損耗大、可以適用金屬范圍有局限，這都導致其難以大規(guī)模工業(yè)化生產。電子束增材制造技術電子束增材制造技術是一種以電子束為熱源來熔化材料，再進行逐層沉積制造三維金屬零件，因為其熱量集中，適用于鈦合金，鈦鋁基合金等難熔的高性能金屬材料的成形制造，其相比激光增材制造技術，其成型件致密度大；在金屬3D打印中速度也是最快的。電子束直接制造是金屬絲材直接送進打印頭，同時用電子束同步在送絲打印頭熔融和打印材料，所以這種工藝可以說是逐滴地打印金屬件的，工藝精度和質量都比較高，最關鍵的是材料利用率非常高。清華大學郭超等人[25]以316L不銹鋼粉末為材料,對粉末熔化階段時的電子束功率大小、掃描方式等工藝參數對成形件上表面粗糙度的影響進行了研究并提出電子束功率遞增、多遍掃描的方法。電子束增材制造技術也存在相應的不足，譬如實驗條件必須為真空，電子束的成本比較高和加工精度和表面質量略差等使得對于電子束增材制造的研究也較少。等離子增材制造技術等離子增材制造技術與電子束增材制造技術原理相似，只是由等離子束作為熱源。其實等離子增材制造技術是在等離子熔覆技術的研究和應用基礎上發(fā)展起來的。鄒海平等人[26]采用等離子熔覆的方法對金屬添加制造進行了研制,其材料采用耐高溫的GH163合金粉末，對相應的等離子熔覆零部件進行研究。關于等離子增材制造的過程中，由于等離子束作為熱源弧它的產生會受到其噴嘴孔徑的限制，它所產生的電弧直徑相比其他電弧增材制造的要小，使得其能量密度更大，所以其主要用于對焊接質量的要求較高的精密焊接場合。目前，關于等離子增材制造技術的相關研究比較少，有待學者對其進一步研究。電弧增材制造技術電弧增材制造(WireArcAdditiveManufacturing,WAAM)[27]技術是類似于沉積工藝，不同之處在于其根據堆焊以及逐層熔覆的原理，通過采用非熔化極氣體保護焊等產生的電弧作為熱源，逐層沉積出成型件的先進制造技術。其因為采用電弧為熱源，具有熱輸入高、成形速度快的特點，特別適合用于大尺寸復雜零件低成本的制造。圖1.4WAAM原理圖[5]WAAM技術有兩種形式，圖1.4（a）所示為基于熔化極電弧的同軸送絲形式，采用工藝方法為常規(guī)的熔化極氣體保護焊（MeltedInertGasArcWelding，MIG）或冷金屬過渡焊工藝（ColdMetalTransfer，CMT）；圖1.4（b）所示為基于等離子?。≒lasmaArc，PA）的旁軸送絲形式，其中等離子弧也可換作鎢極氬弧，也叫鎢極惰性氣體保護焊（TungstenInertGasArcWelding，TIG）。而對于TIG電弧増材制造和MIG電弧増材制造，其中TIG電弧的技術基礎是以鎢極氬弧為熱源并與獨立的送絲機構送出的焊接材料相結合，通過熱輸入使得焊接材料熔化冷卻后形成緊湊的單層焊縫，通過這樣一層一層的堆疊，最終形成具有一定幾何形狀的零部件。而MIG電弧増材制造的技術基礎為熔化極氣體保護焊，它是通過采用連續(xù)等速的送絲機構將可熔化的焊絲送進，以電弧作為熱源來熔化焊絲和母材，通過送絲機構的不斷輸送的焊絲進入電弧覆蓋范圍，其受熱熔化，在這樣不斷累積后形成沉積層的技術。MIG電弧増材制造的特點在于：它用焊絲作為電極，通過直流反接后，可選擇較大電流，使得焊絲熔化速度加快，以提高整個生產效率，具有廣泛的適用性。而與前面所列舉的增材制造技術相比，WAAM技術不需要像激光、電子束那樣必須采用昂貴的基礎設備，它的制造只需要常規(guī)的金屬焊槍和相應的送絲機構即可滿足其需求，再結合多軸數控運動控制系統(tǒng)或者機機器人機械臂就可實現(xiàn)各種實際生產所需的確難以直接制備的大尺寸金屬構件并且可以完成各種金屬構件的修復再制造。特別是以工業(yè)標準牌號焊絲作為原材料，相比于金屬粉末材料成本大大降低，焊絲的比表面積較小，可減少夾雜等缺陷的產生，其工藝過程及性能穩(wěn)定。其生產效率高，焊絲利用率高而且在堆積過程中，焊絲接近百分之百熔入熔池冷卻后形成沉積層金屬，提高了材料利用率尤其對于需要采用貴重合金材料來制造的零部件。相對傳統(tǒng)的減材制造，大大降低材料成本整體制造周期短，只需少量機加工，成形大尺寸件時優(yōu)勢尤為明顯；并能快速改進，優(yōu)化設計[28]；因為WAAM技術具有制造周期較短，只需少量機加工，成形大尺寸件時優(yōu)勢尤為明顯，其自動化水平高、設備成本低、材料利用率高，在生產過程中容易改裝、快速改進進行優(yōu)化設計等諸多優(yōu)點，受到了國內外研究學者的關注，已在生物醫(yī)學、航天航空等領域得到廣泛應用。1.3.2復合材料隨著時代的進步，鋼鐵的使用已經不足以滿足現(xiàn)代社會的發(fā)展需求，在高速發(fā)展的21世紀的時代背景下，獲得等強度等特性材料的輕量化尤為重要，而復合材料的出現(xiàn)，這一需求得到了很好的解決。復合材料通常是由兩種或兩種以上的不同物質通過不同方式進行組合而形成的材料，因此它就有機會能擁有各組元材料的優(yōu)點，克服單一組元的缺陷[29]。其通常擁有兩個基本組成相，其中一個為連續(xù)相,稱之為基體，它占整個材料的主要部分,主要起粘結和固定作用；另一個是能夠顯著的增強材料相關性能的分散相,稱之為增強相。復合材料可分為很多種，其中按用途可分為功能復合材料和結構復合材料，根據基體種類可分為金屬基、聚合物基和陶瓷基復合材料等，按增強相可分為顆粒增強、晶須增強或纖維增強復合材料。據了解,復合材料在如今已經擁有許多成功的案例，其中美國的專攻公司加州分公司在6061-T6鋁合金中引入氧化鋁陶瓷顆粒，將之混合燒結得到一種復合材料,將之用于制造自行車車架,取得了空前的效果。這種復合材料比純鋁合金制得的車架強度和剛度都有很強的提高。而在日本，關于SiC-Al2O3顆粒增強復合材料制造的制動盤已在冰凍食品高速列車上進行了相關的試驗,此復合材料的最大特點是密度小、導熱性好、還耐磨是高速和超高速列車的一種理想的制動材料。而金屬基復合材料的優(yōu)良力學性能以及各項特殊性能譬如耐磨、耐熱、導電導熱等性能導致作為復合材料它的基礎性能遠超過了其基體的相應性能，使得其在各大尖端領域的實際應用中有很大需求。其中顆粒增強的鋁基復合材料擁有極佳的力學性能、經濟性、可再加工性特別是它的尺寸穩(wěn)定性等引起國內外眾多科研學者的廣泛關注，它已經在廣大的科研工作者眼中成為金屬基復合材料中最有吸引力的研究方向之一。1.3.3鋁基復合材料鋁基復合材料按增強相的形式可分為連續(xù)纖維增強、片層疊合以及非連續(xù)增強，其中非連續(xù)增強又包含短纖維或晶須、顆粒增強等。目前在鋁基復合材料中以顆粒增強為主，其次為短纖維增強和連續(xù)纖維增強的復合材料。鋁基復合材料的綜合力學性能，決定于鋁合金基體和增強相的性能及增強相與基體的界面狀態(tài)。其中基體在復合材料中占絕大多數，因此，復合材料的力學性能將在很大程度上取決于基體材料的力學性能。就像對鋁基復合材料的研究一樣，鋁基復合材料在基體的選擇上也是基于常規(guī)鋁合金，沒有為鋁基復合材斜研究和設計特殊的合金?；w的選擇，主要是依據其零部件的使用性能和制造方法，它的可選擇的范圍較廣。復合材料組元的選擇對其力學性能和組織形態(tài)都有相應的影響，其中主要需要注意的是基體合金的力學性能以及后期的熱處理?；w合金一般選擇變形能力較好，可熱處理的合金體系，而眾多材料中鋁有優(yōu)于其他金屬的許多特點，鋁的密度為2.7×103kg/m3，相比鋼或者鐵的密度要小得多，已經被作為是輕金屬的典型代表了，而在加入增強相后會使密度有所略微的增加，但這種影響遠為剛度、強度方面的增加而抵消。鋁及其合金擁有比其他金屬或合金更好的可塑性，而且可以進行適當的加工極易與之強化的材料進行復合，將其作為復合材料的基體材料也逐漸體現(xiàn)出鋁及其合金的優(yōu)勢。此外，鋁的導電性、導熱性都很有代表性，特別是其良好的抗腐蝕性能使得其廣受關注。而制造出來的鋁基復合材料，它的的性能取決于所選增強相的特性、含量、形狀、分布狀態(tài)及界面的結合強度。作為復合材料它所需要的特性最好是既可以獲得既具有金屬特性，又具有另一復合材料的特殊性能，如耐熱、耐腐蝕以及耐磨等綜合性能，而通過優(yōu)化組合可以使得鋁基復合材料也囊括了這些性能，在復合材料中這樣的綜合性能都是他們所要具備的，必不可少的特性。鋁合金分為鋁鋰合金,鋁硅合金,鋁鋅合金,鋁鎂合金和鋁銅合金等，而5系鋁合金屬于變形鋁合金中的鋁-鎂合金，它是熱處理不可強化的合金，在我們的日常生活中應用較廣。而其中5356鋁合金的含鎂量在3-5%之間，其作為鋁-鎂合金，也擁有密度小、強度高等優(yōu)點尤其是它的耐腐蝕性、可加工性及焊接性好的優(yōu)勢更是使得其得到廣泛的應用。需要指出的是5356鋁合金包括大部分鋁基合金都有較好的兼容性和輸送性能，可作為填充材料，使其能夠擁有不俗的性能，在科研過程中它也被納入通用的鋁基填充材料之一[30]。1.3.4碳化硼顆粒增強鋁基復合材料在顆粒增強鋁基復合材料中，可作為增強相的材料都有可圈可點的優(yōu)勢，它們可以是外加的也可以是反應自生的，其通常都具有高模量、高強度、高熔點、耐磨以及耐腐蝕等性能。理想的增強相應具備的條件包括：①剛性、強度、硬度等物理性能和機械性能優(yōu)良；②高溫燒結過程中組成的元素不溶入鋁基體中；③與鋁基體熱膨脹系數差別小。根據上述要求，碳化物、氧化物、硼化物以及金屬間化合物都可以被作為是增強相的選擇。而其中碳化硼是一種性能優(yōu)良的特種陶瓷硬質材料，Joly在1883年便首次人工合成了碳化硼，并將其寫作B3C，直到1934年科學家才將碳化硼的化學計量式修定為B4C[31]。B4C具有熔點高(2450℃)、硬度高、彈性模量高、密度小(2.52g/cm3)、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點而受到廣泛的關注。B4C被應用于耐火材料，耐磨材料，乏燃料控制棒和輕質盔甲等在諸多領域[32]，此外，B4C還能作為高溫半導體在電子領域具有較大的應用潛力。碳化硼/金屬復合材料有其他材料不可比擬的巨大優(yōu)勢，它擁有良好的力學性能和極強的耐磨性，導致其在高端領域中廣泛的使用。而關于制造B4C/Al5356復合材料構件的研究中，由于采用碳化硼顆粒作為增強相，而B4C顆粒本身的熔點就比較高，密度較低并且陶瓷材料與金屬材料的加工過程中存在濕潤性較差等特點，如何將增強相顆粒的分布均勻以及提出兩相間結合較好的加工方式都有待后面的探討和分析。1.4本課題對經濟、環(huán)境的影響關于本課題的研究，實驗型課題在操作過程中難免會出現(xiàn)缺陷或對比的試樣，但這些都屬于正常的實驗材料消耗，而且我們的實驗目的也是為了堅持可持續(xù)發(fā)展，在研究電弧增材制造B4C/Al5356的鋁基復合材料構件并為電弧增材制造技術提供基礎數據，使其在日后的發(fā)展上實踐著可持續(xù)發(fā)展的目標，而可持續(xù)發(fā)展對經濟環(huán)境的影響是一種機會和利益均等的發(fā)展，它既包括同代內區(qū)際間的均衡發(fā)展，也包括代際間的均衡發(fā)展，即既滿足當代人的需要，又不損害后代的發(fā)展能力。隨著鋁基材料各種技術的發(fā)展,目前鋁基材料在尖端領域被廣泛應用,成為了實現(xiàn)輕量化的主要途徑之一，鋁基材料制造技術代表了當前鋁材料加工技術的最高水平，鋁基材料不僅是制造船舶、大型飛機和新型高速列車的必要材料，同時也是我國現(xiàn)如今經濟高速發(fā)展中各方面都急需的重要材料。中國是一個人口大國，我們在進行科學實驗過程中，也會考慮到部分問題，而在這些問題既對科技、經濟、社會發(fā)展提出了更高目標，也使日益受到人們重視的綜合國力研究達到一定的難度。在目前情況下,任何一個國家要增強本國的綜合國力，都無法回避科技、經濟、資源、生態(tài)環(huán)境同社會的協(xié)調與整合。所以我們在實驗的操作過程中用數據說話，通過我們的實驗能夠對電弧增材制造鋁基復合材料，焊接工藝過程提供基礎數據并減少其在制造過程中高消耗，以及精度不高等問題，其中對于高消耗以及造成的污染問題進行優(yōu)化并且通過本課題最后得出的結論，能夠使得金屬零件在制造過程中，使用最低的成本制造出，精度更高的材料，在這個工程中，物質的消耗也會變少，對經濟上，也能夠起到一定的節(jié)約經濟的目的。由此可見，鋁基材料的電弧增材制造在未來將會有很大的發(fā)展，無論是在工業(yè)生產還是在日常生活中都將發(fā)揮不可替代的作用。1.5課題研究內容通過前面的介紹，目前的電弧增材制造主要集中于單一材料，對于金屬基復合材料涉及較少，特別是鋁-陶瓷復合材料的增材制造研究才剛剛起步。尤其是復合材料構件的工藝對沉積層宏觀形貌、層寬、層厚以及氣孔率的影響規(guī)律少有涉及。本文將以工藝參數作為因素變量，分析送粉方式、電流、沉積速度和噴嘴高度對沉積層宏觀形貌以及氣孔率的影響規(guī)律，旨在研究電弧增材制造B4C/Al5356鋁基復合材料構件的電弧增材制造技術提供基礎理論支持。本論文的主要研究內容包括:研究電弧增材制造B4C/Al5356鋁基復合材料構件系統(tǒng)的搭建；研究實驗過程中復合材料構件的制作工藝及缺陷,采用光學顯微鏡，對B4C/Al5356復合材料的金相試樣進行低倍顯微觀察，并通過圖像分析處理軟件統(tǒng)計復合材料金相試樣氣孔率并進一步研究復合材料構件的制作；研究電弧增材制造B4C/Al5356復合材料中的顆粒分布狀態(tài)；采用掃描電鏡對電弧增材制造的B4C/Al5356復合材料進行檢測及分析；總結各工藝參數對復合材料構件形成、顆粒分布、缺陷等的影響規(guī)律。針對以上研究內容制定相應研究方案制定前期訓練、工藝調整和實驗樣品的制備、電鏡實驗的檢測、整理并記錄實驗數據得出相應結論，研究方案如圖1.5所示。圖1.5電弧增材制造鋁基復合材料的制造工藝研究過程方案

研究方法和方案2.1實驗材料實驗選用基板是Al6061，板厚為4mm。焊絲為Φ1.2mm的ER5356（化學成分見表2.1），所用的保護氣體為純度為99.99%的氬氣，增強相為B4C粉末顆粒。表2.1ER5356鋁焊絲化學成分組成成分SiFeCuMnMgCrZnTiAl含量(%)0.250.400.100.05-0.204.5-5.50.05-6-0.20余量其中的B4C顆粒，采用X射線衍射（X-raydiffraction，XRD）分析B4C的物相組成，衍射圖譜如圖2.1所示。并在掃描電子顯微鏡（ScanningElectronMicroscope，SEM）下得到其SEM照片，如圖2.2所示。圖2.1B4C粉末的XRD衍射圖圖2.2B4C粉末的SEM照片2.2電弧增材制造系統(tǒng)結合絲-弧增材制造和粉末輸送工藝（如圖2.3所示），完善整個電弧增材制造系統(tǒng)，對這個系統(tǒng)進行搭建，為后面的研究提供技術基礎。電弧增材制造系統(tǒng)按送粉方式可分為旁側送粉式電弧增材制造系統(tǒng)和同軸送粉式電弧增材制造系統(tǒng)。圖2.3絲-弧增材制造和粉末輸送工藝成形示意圖圖2.4電弧增材制造系統(tǒng)整個電弧增材制造系統(tǒng)，主要包括工業(yè)數控機床、焊機、送粉系統(tǒng)和工作平臺四部分。如圖2.4所示。2.2.1旁側送粉式電弧增材制造系統(tǒng)旁側送粉式電弧增材制造系統(tǒng)是以圖2.4為基礎，采用旁側送粉方式進行電弧增材制造的系統(tǒng)，它需要在焊槍外部附近建立送粉通道，固定送粉通道后，通過送粉器吹出可以直接進入熔池，在熔池冷卻凝固后自然融合到沉積層中，形成復合材料。旁側送粉式電弧增材制造如圖2.5所示。這種旁側送粉的方式是容易增加顆粒含量和減少界面反應并且送粉氣從側面容易干擾電弧穩(wěn)定性，導致電弧增材制造出的試樣成形不佳。針對B4C陶瓷粉末密度小(2.52g/cm3)的特點，采用旁側送粉這種方式，使其不易被送入熔融金屬熔池中，需要較大的氣流量才能被送入熔池之中，對電弧的擾亂大，導致制造的復合材料性能不佳。圖2.5旁側送粉式電弧增材制造示意圖2.2.2同軸送粉式電弧增材制造系統(tǒng)同軸送粉式電弧增材制造系統(tǒng)是以圖2.4為基礎，采用同軸送粉方式進行電弧增材制造的系統(tǒng)，它則相應的需要特質的焊槍，基于等離子焊槍的設計思路，在原有焊槍槍口上部通道開口建立送粉通道，左右同時建立開口送粉通道，為保證B4C陶瓷粉末能夠進入鋁金屬基體材料且盡可能的均勻分布利用等離子焊槍的原理，將陶瓷粉末通入下方改造的多通道MIG焊槍，此時在左右同時引入B4C陶瓷粉末保證陶瓷粉末與焊槍中送出焊絲的同軸性。同軸送粉式電弧增材制造如圖2.6所示。圖2.6同軸送粉式電弧增材制造示意圖[34]在整個系統(tǒng)運行中，通過采用了相同的氣體流量送出粉末顆粒，使其在輸送到焊槍口時達到兩者之前的平衡，形成粉-絲-粉的穩(wěn)定系統(tǒng)，兩側的粉末顆粒達到平衡，在焊絲兩側形成同軸的送粉系統(tǒng)，以保證同軸送粉，而同軸送粉因為其中隨氣體進入熔池的粉末顆粒會經過焊槍口處的高溫區(qū)域，而在這種高溫區(qū)域，會導致部分粉末顆粒的燒毀，但是針對B4C陶瓷粉末熔點高(2450℃)的特點，不僅可以避免其在隨氣體進入熔池的過程中經過焊槍附近高溫區(qū)域遭到高溫熔化的弊端，還可以促進鋁基熔體和粉末顆粒的融合。Zhuang等人[34]研究硼對堆焊合金組織和力學性能的影響過程中利用同軸送粉進行了研究，其熔池是由焊絲和母材之間的引燃電弧造成熔融后形成的。值得指出的是，在該過程中他們利用精心設計的焊槍將合金粉通過電弧高溫區(qū)送入熔池，使熔池中的合金粉得到充分的供給，圖2.6中的特制混合焊槍即參考所得。2.2.3工業(yè)數控機床的使用工業(yè)數控機床是可以通過提前設定好程序，將編寫好的程序錄入數控設備，實驗前需要提前模擬運行控制焊槍的運行軌跡，進行適當調整確認無誤后，再空載運行等待后續(xù)操作；至于所編程序則按照提前設定的形狀，譬如單道多層的墻體結構、再或者封閉的閉合圖形，將之進行拆分并逐步編寫相應所需行進路線的程序。圖2.7為此增材制造系統(tǒng)所制作產品。圖2.7電弧增材制造系統(tǒng)所制作產品2.2.4工作平臺的搭建工作平臺可建立空腔高架平臺，因為熱輸入的累積影響，在增材制造時，隨著沉積層的增加，試樣的溫度逐漸升高，使得單個沉積層的成形形貌產生變化，從而導致了整體試樣的成形形貌和尺寸精度等發(fā)生變化。而在沉積過程中，由于鋁合金的熔點較低，試驗的進行過程中，試樣的整體溫度逐漸增高，使得在成形過程中沉積層出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象。為了不影響沉積效率，因為試樣的冷卻一般都需要等待較長時間，而采用冷卻裝置來加快試樣的冷卻可以有效的解決這一問題，因此還可以增加一個冷卻裝置。研究中使用的水循環(huán)冷卻板如下圖2.8，在研究過程中將基材固定于冷卻板上，用以加快試樣冷卻速度。圖2.8水循環(huán)冷卻板實驗之前先將基板進行打磨，再用丙酮對基板表層進行擦拭并吹干以去除表面致密的氧化膜和油污。再基板置于高架工作臺的冷卻裝置上，由于增材制造的過程中產生的熱堆積會導致基板受熱產生變形，為保證其在增材制造過程中保持穩(wěn)定，采用夾具將其固定在高架工作臺的冷卻裝置上，使其在增材制造過程中擁有較好的平整度并且使得沉積層的成型高度保持穩(wěn)定。2.2.5焊機的選擇焊機采用MIG焊的工藝進行制造，針對鋁合金高熔點致密氧化膜（Al2O3）熔點高的特點直流反接MIG焊的使用可以達到清除鋁及其合金表面致密氧化膜的作用。使用MIG焊的直流反接，如圖2.9所示，即以焊槍接正極，工件接負極（通常稱為直流反接,DCEP），此時電子由工件表面發(fā)射到焊槍電極，電極溫度較高，有利于促進電極熔化，電子溢出對工件上的熔池有一定冷卻作用，可以獲得淺而寬的熔池，從而達到既有利于焊絲的熔化，又有利于鋁基板焊接區(qū)氧化膜的清除的作用。不采用TIG焊接方法是因為TIG焊槍中的鎢極不能長時間的高溫運作，而作為快速制造的電弧增材制造所需要的就是盡可能快的制作出相應的零部件，而MIG焊接的話，它能夠長時間的運作，同時還可以承受較大的熱輸入，能夠提高零部件的制造效率，但焊接過程中電弧穩(wěn)定性較差，可控性不好，易導致零部件的外觀成形不佳，為了提高增材制造成形零件的精度，所以針對MIG電弧增材的研究極其重要。圖2.9直流反接工作示意圖Syed等人[33]研究了使用同軸噴嘴輸送粉末和使用側向噴嘴將金屬絲輸送到低碳鋼激光熔池的好處。他們的證據表明，與單獨的金屬絲或粉末沉積過程相比，同時送粉時的熔池吸收能量增加了，這使得整體沉積效率的提高和表面光潔度的改善。2.3制造方案及分析目前關于增材制造的研究一般都是先利用設備在基板上制造出單道單層的沉積層，然后以線到面，逐層沉積再得到單道多層，所以單道多層其實是由一層層的單道單層所構成，也就是一道道線組成，最終形成面也就是從宏觀上來看是一面墻體。所以墻體的成形質量與每個單層單道的成形都密切相關。因此，在增材制造過程中，我們有必要對單層單道成形質量進行分析，以不同工藝條件來制造，相互之前形成對比，從而從中找出規(guī)律，并獲得能夠沉積出良好墻體質量的工藝參數范圍。而墻體的成形過程是在前一層沉積層上成形，但是由于電弧對前一層沉積層的反復作用，其過程中存在熱積累，溫度場和單層單道相比其制造過程要相對復雜得多，通常前面對后面來說是預熱，后面對前面來說是后熱。特別值得提出的是，在單道多層墻體的增材制造過程中，在起弧時，電弧瞬間的產生，使得此處的金屬熔化不穩(wěn)定，由此產生了較大的熔覆量，而在收弧時，電弧是緩慢的逐步結束，由于電弧力的存在，熔化的金屬沿著沉積層行進的方向繼續(xù)進行，使得此處的熔覆量較少。如果進行同向的沉積，同向沉積過程中，每完成一層需要熄弧和重新引弧，這種過程逐步的累積，使得起弧處沉積的高度高于穩(wěn)定的部分，而收弧的過程中隨著沉積高度的增加，墻體末端會出現(xiàn)不斷有金屬液滴下淌，致使最終沉積出來的墻體傾斜于水平面，如下圖2.10所示。圖2.10同向沉積增材制造的傾斜墻體圖示而通過使用來回往復沉積的方式進行墻體制造，起弧和收弧處的特征可以互補，但是由于偏差互補不平衡，在沉積層高度達到一定值時，細微的差距得以放大，使得沉積層的兩端出現(xiàn)傾斜，在沉積過程中電弧在墻體上的作用由于高度不同產生變化，使得電弧的穩(wěn)定性遭到破壞，導致墻體中間穩(wěn)定部分的力學性能較好，兩端相對的力學性能就較差。圖2.11為往復沉積增材制造的墻體圖。圖2.11往復沉積增材制造的墻體圖示采用往復的沉積方法，在起弧時相應提高焊接速度，使得該處的熔覆量減少，而對應的在收弧時增加一個短時間的停留動作，將之用于彌補收弧處導致的熔覆量不足。圖2.12為綜合較好工藝沉積增材制造的墻體圖。還有一類是循環(huán)的沉積路徑，可避免露頭端部熱場突變導致的一些不良影響，后面制備的環(huán)形樣品就是基于這個考慮。圖2.12綜合較好工藝沉積增材制造的墻體圖示

工藝及分析本課題開展電弧增材制造B4C/Al5356復合材料工藝分析，探討了單變量對該工藝的關鍵影響規(guī)律，分別探討送粉方式、電流、沉積速度以及噴嘴高度對沉積層表面形貌、層寬、層高以及氣孔率的影響規(guī)律，為鋁基復合材料構件的電弧增材制造技術提供基礎理念支持。其中以四個關鍵因子進行探討，分別是：送粉方式、電流、沉積速度以及噴嘴高度。采用直流反接脈沖MIG焊和同步送粉工藝，樣品制備的工藝參數見表3.1。表3.1基本工藝參數工藝參數電流（A）電壓(V)送絲速度(m/min)保護氣流量(L/min)送粉氣流量(L/min)送粉速度(g/min)沉積速度(mm/min)值60-8016-184.5-5.010-114-52200-3003.1送粉方式對沉積層宏觀形貌的影響送粉方式，分別探討了旁側送粉和同軸送粉兩種，使用旁側送粉式電弧增材制造系統(tǒng)和同軸送粉式電弧增材制造系統(tǒng)，采用相同的基本工藝參數制造，制得樣品如圖3.1所示。圖3.1送粉方式對電弧增材制造B4C/Al基復合材料樣品成形質量的影響：相同工藝參數條件下（a）旁側送粉，(b)同軸送粉從上圖可以看出，采用同軸送粉較旁側送粉電弧增材制造B4C/Al基復合材料的樣品成形更佳。分析旁側送粉過程中容易增加顆粒含量和減少界面反應但是送粉氣從側面容易干擾電弧穩(wěn)定性，針對B4C陶瓷粉末密度小(2.52g/cm3)的特點，采用這種方式，使其不易被送入熔融金屬熔池中，需要較大的氣流量才能被送入熔池之中，對電弧的擾亂大，最終導致制造的復合材料性能不佳。而同軸送粉因為其中隨氣體進入熔池的粉末顆粒會經過焊槍口處的高溫區(qū)域，而在這種高溫區(qū)域，會導致部分粉末顆粒的燒毀，但是針對B4C陶瓷粉末熔點高(2450℃)的特點，不僅可以避免其在隨氣體進入熔池的過程中經過焊槍附近高溫區(qū)域遭到高溫熔化的弊端，還可以促進鋁基熔體和粉末顆粒的融合，顆粒能夠通過特制焊槍內的通道自由落體，所需氣流量小，對電弧的擾亂就小，最終導致制造的復合材料成型良好。3.2電流對沉積層宏觀形貌的影響電流的大小與沉積層的宏觀形貌密切相關，較大的電流會得到較大的熱輸入，使得焊絲更加快速的熔化并滴落形成熔池，冷卻后便形成寬度較大的沉積層，根據經驗可以知道，單位時間在單位長度上通過沉積得到的熔覆量一定時，增材制造的墻體的高度與寬度是負相關的關系。電流的大小能夠決定電弧力的大小，而電弧力是對熔融金屬鋪展的重要因素。電流較小時，產生的熱輸入不足，使得焊絲熔化后，剩余的能量不足以將熔融金屬鋪展開來。電弧力相對較小時，會使得電弧沖擊力不足，重熔區(qū)較小，導致層與層之間的結合較差。在其他工藝參數保持一致的情況下，制作實驗分別為電流60A、70A、80A，得到下圖。圖3.2不同電流參數下的樣品宏觀成形形貌對比從上圖可以看出隨著電流的增大，試樣的寬度逐漸增大，高度逐漸減小。分析在60、70、80A這一范圍內隨著電流的增大，沉積層中焊絲材料的熔化量增多，相應的熱輸入隨著電流的增加而增加，使得熔化的液態(tài)金屬在高溫的停留時間變長，并伴隨著其的潤濕性增加，使其有足夠長的時間進行鋪展，導致沉積層的寬度較大，高度逐漸減小。若在相同的參數下開展單道多層的沉積，沉積金屬的表面存在較大波動，致使沉積層的成形質量差；若開展多道多層沉積，極可能在道間的搭接處發(fā)生未熔合現(xiàn)象?？梢钥闯?，隨著電流的增大，試樣截面的形貌是在逐漸變得扁平化。華中科技大學的高煉玲[35]，研究了S5356鋁合金在電弧堆積多層單道金屬中的成形工藝，研究不同電流對沉積層成形形貌的影響，期間為觀察沉積層的形貌特征，通過采用三維測量儀，測定在沉積層上截取垂直于堆積平面的三個橫截面，得到下圖所示的不同電流大小下沉積層的橫截面形貌。研究結果也顯示，隨著電流的增加，截面的形貌變得逐漸扁平化。圖3.3不同電流下沉積層截面形貌[35]3.3沉積速度對沉積層宏觀形貌的影響沉積速度的變化對沉積層高度的累加作用極其明顯，在滿足層間熔合所需的熔敷量時，增大沉積速度可以增加沉積層在高度方向的上的有效增長。隨著沉積速度的增大，熔融金屬液在沿寬度方向上鋪展不明顯，而在沿高度方向不斷增大，沉積速度的增加使熔融金屬液有效阻止了電弧的沖擊作用，使墻體在高度上增長較為明顯。在其他工藝參數保持一致的情況下，制作兩組實驗分別為沉積速度300mm/min，噴嘴高度10mm的試樣a，另一個為沉積速度200mm/min，噴嘴高度為10mm的試樣b。構件的成形基材為6061板材，將在該基板上電弧增材制造成型的復合材料立壁中利用線切割技術取出能表現(xiàn)其整體特征的一段，對切割下來的試樣進行打磨拋光，先在砂輪機上進行初步的打磨，使試樣的待觀察面平整，接著采用240#砂紙手動打磨掉砂輪機上打磨留下的磨痕，再按360#、800#、1200#的砂紙進行細磨。在經過1200#砂紙的細磨過后，將試樣棱角倒圓清洗后準備拋光，涂抹金剛石研磨膏后進行機械拋光，直至被拋光面光亮如鏡即可。拋光完成后，再用酒精溶液輕輕擦凈，然后用吹風機吹干，制成對應試樣如圖3.4所示。圖3.4樣品的宏觀截面成形形貌從3.4圖可以看出沉積速度在從300降低到200mm/min的范圍時，電弧作用的時間增大導致溫度高，凝固慢，流動性好，沉底多，分布也更加均勻，對應的氣孔率明顯降低。分析在一定范圍內降低沉積速度，沉積速度的減小可以增加電弧的作用時間，從而導致熔池溫度高，熔融液體金屬的流動性好，凝固速度慢，顆粒沉底多其分別也更加均勻。這樣使得樣品的寬度減小，高度增大。通過對上面兩組試樣進行掃描電子顯微鏡的掃描得到下圖對應的SEM照片，如圖3.5所示。圖3.5樣品的微觀SEM照片從圖3.5可以看出兩者的氣孔量差異很明顯，沉積速度由300mm/min減小到200mm/min時，氣孔率明顯減低。分析在電弧增材制造復合材料過程中，電弧作用使增材制造的原材料熔化形成熔池，熔池的溫度極高，在高溫下，鋁合金中氫氣的溶解度大大增加，大量氫氣溶解在熔池中，電弧離去時，熔池溫度快速降低，氫氣的溶解度快速下降，一部分氣泡上浮至表面逸出，另一部分氣泡仍處于上浮狀態(tài)，但由于鋁合金密度小，氣泡受到的浮力較小，上浮速度慢。同時鋁合金結晶速度快，在熔池凝固后仍有氣泡未能上浮至逸出，這部分滯留在堆積層的氣泡便為氫氣孔。而隨著沉積速度的減小，熔池內形成的氣泡有足夠時間溢出，出現(xiàn)的氣孔相對就要少得多，由圖3.4也可以看出電弧增材制造復合材料進行多層單道沉積時在頂層沉積過程中，一部分新形核的氣泡長大至一定尺寸后脫落上浮，另一部分存在于前一層頂部的氣孔在金屬重熔后也上浮，這樣大部分氣孔集中存在于凝固金屬的上部，使得試樣上部出現(xiàn)的氣孔率較大。將制得的成形良好的鋁基復合材料采用X射線衍射（X-raydiffraction，XRD）分析其物相組成，衍射圖譜如圖3.6所示圖3.6B4C顆粒增強鋁基復合材料XRD衍射圖在掃描電子顯微鏡下得到其SEM照片，如圖3.7所示。圖3.7B4C顆粒增強鋁基復合材料微觀結構的SEM照片由圖3.6可以看出在B4C顆粒增強鋁基復合材料中Al峰的強度非常明顯，從此可以看出Al在復合材料中占比例大。由圖3.7可以得到B4C顆粒在鋁基復合材料中分布狀態(tài)。3.4噴嘴高度對沉積層宏觀形貌的影響噴嘴高度，噴嘴的高度越高，而產生的電弧所覆蓋的區(qū)域就越廣泛。噴嘴高度影響保護氣氛中侵入的水分，從而對氣孔數量產生影響，噴嘴高度過高使沉積過程中電弧被不斷拉長，與焊絲同軸送出的保護氣體對沉積層作用范圍減小，導致氣體保護作用減弱，保護氣氛中侵入水分及氫，增加了沉積金屬中的氣孔率。Lin等人[36]用針孔傳感器測量了激光輻照粉末流的溫度，結果得到在動態(tài)條件下用標準熱源對傳感器進行標定時，它能夠在激光熔覆過程中檢測到一個光照范圍內的熱粒子。由于粉末粒度和流速的不同，顆粒溫度偏差約為500℃。在所提出的同軸噴嘴設計下，在正常操作條件下，粒子熔化距離在噴嘴出口約20±30mm的范圍內。其研究說明噴嘴的高度與制造的成形質量密切相關，所以有必要對噴嘴高度進行分析。在其他工藝參數保持一致的情況下，制作兩組分別為噴嘴高度15mm和10mm的實驗對比。得到樣品如圖3.8所示。圖3.8噴嘴高度（a）15mm和（b）10mm的樣品對比從圖3.8可以看出隨著噴嘴高度從15mm降低到10mm，得到的電弧增材制造B4C/Al基復合材料整體高度有明顯的增加，整體的寬度較均勻，使得整體的成形良好。噴嘴的高度越高，而產生的電弧所覆蓋的區(qū)域就越廣，使得樣品的層寬較大，金屬液體過多造成下淌，成形不佳，而且隨著噴嘴高度的增加熔池的氣體保護效果差，氣孔率增加。3.5多層沉積梯度分布B4C顆粒增強鋁基復合材料的制造工藝目前梯度增強是復合材料3D打印研究的熱點，本課題選用基板是Al6061鋁合金板，板厚為4mm。焊絲為Φ1.2mmER5356，干伸長為10-12mm，所用的保護氣體為純度為99.99%的氬氣，增強相為B4C粉末顆粒，采用MIG焊-同軸輸送B4C粉的工藝方法進行梯度增強試樣的研究?；竟に噮狄姳?.2。表3.2基本工藝參數工藝參數電流（A）電壓(V)送絲速度(m/min)保護氣流量(L/min)送粉氣流量(L/min)送粉速度(g/min)沉積速度(mm/min)值80-8517-184.710-1151.5-3.5200采用MIG焊-同軸輸送B4C粉的工藝方法制備的多層Al基復合材料樣品，制作過程為每層沉積2mm，每層沉積時控制層間溫度并對沉積層表面進行清理。采用鼓輪式送粉器對B4C粉末顆粒進行送粉，其中前3層不送粉，第4-5層以1.5g/min；第6-9層2g/min；第10-15層3g/min；第16-18層3.5g/min。得到如下圖3.9所示試樣。圖3.9多層沉積梯度增強B4C顆粒-Al5356復合材料樣品照片（18層堆積）將試樣線切割后進行金相試樣的制備，在低倍顯微鏡下采集得到圖3.10。圖3.10多層沉積梯度增強B4C顆粒-Al5356復合材料樣品橫截面的低倍顯微形貌從圖3.10可以看出，多層沉積梯度增強復合材料層間無明顯界線，即結合良好。但從第2層開始，實際是在復合材料基體上進行復合材料層的制備，制備過程未對沉積表面進行機械清理，基體中出現(xiàn)明顯的氣孔，試樣通過體式顯微鏡處理得到如圖3.11所示照片。發(fā)現(xiàn)越往上，顆粒含量越高，氣孔也增多，這些氣孔缺陷將對力學性能造成不利影響。圖3.11多層梯度增強復合材料中最高層（a）、中上層（b）、中下層（c）和最下層（d）的體視顯微鏡照片圖3.12（a）-（f）分別為梯度增強試樣由下至上各層沉積層的金相照片圖3.12為多層沉積梯度增強B4C顆粒-Al5356復合材料試樣由下至上各層沉積層的金相照片，可以看出由下至上各層沉積層中顆粒的含量逐漸增加，而高含量情況下其易團聚，隨著含量增加氣孔比例也增加。發(fā)現(xiàn)越往上，顆粒含量越高，氣孔也增多，這些氣孔缺陷將對力學性能造成不利影響。

項目管理4.1技術可行性分析隨著科技的不斷進步，社會對產品的需求尤為迫切。增材制造是一種能夠快速對材料成形的技術，其因為采用電弧為熱源，具有熱輸入高、成形速度快的特點，特別適合用于大尺寸復雜零件低成本的制造。這種技術相比于傳統(tǒng)的制造方法具有生產效率高、制造成本低及便于制造復雜性零件等特點。尤其是其在堆積過程中，焊絲接近百分之百熔入熔池冷卻后形成沉積層金屬，提高了材料利用率尤其對于需要采用貴重合金材料來制造的零部件。相對傳統(tǒng)的減材制造，大大降低材料成本，只需少量機加工；并能快速改進，更容易用于商業(yè)化生產。我校實驗室內擁有由工業(yè)數控機床、MIG焊電源系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)和工作平臺四部分組成的實驗裝置。同時具有電火花線切割機、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡、X射線衍射分析儀等多種檢測設備。這為我的研究提供了設備及技術的支持。4.2成本分析本次研究的成本核算如表4.1所示。表4.1畢業(yè)設計成本核算項目項目明細單價樣品用量成本材料成本6061鋁合金板3元/塊8塊24元ER5356焊絲70元/公斤0.4公斤28元B4C顆粒200元/公斤0.05公斤10元制造成本氬氣150元/罐0.4罐60元用電1元/度6度6元設備折舊——80元其余雜費（砂紙）——20元總成本———228元注：研究過程中均由自己動手操作，故無人工成本費用。4.3經濟效益分析在整個電弧增材制造研究過程中，經費主要用于原材料、設備損耗及制備過程中氬氣的消耗等方面。本次研究采用電弧增材制造技術，制備過程中無材料浪費，且設備成本低，故本次研究經濟花費較少。電弧增材制造技術對材料的適用范圍廣，對工作環(huán)境的適應性強，隨著科技的進步，電弧增材制造技術將成為國內外研究學者的研究主流。

結論與展望本文采用MIG電弧增材制造技術，運用工業(yè)數控機床控制焊槍的行進路徑，以ER5356鋁合金焊絲為沉積材料，通過送粉機構添加的B4C顆粒為增強相，制備B4C/Al5356復合材料。研究復合材料的成形工藝。經研究分析，得到以下結論：1、鋁基復合材料的電弧增材制造技術擁有廣闊的市場，就制造系統(tǒng)進行分析，對于整個增材制造系統(tǒng)，主要包括送粉機構、工業(yè)數控機床、焊機和工作平臺四部分。其中電弧增材制造過程中由于熱輸入不斷的累積，導致沉積層的成型出現(xiàn)塌陷，通過在系統(tǒng)引入了水循環(huán)冷卻板，采用夾具將基板固定在水循環(huán)冷卻板上，使其在增材制造過程中擁有較好的平整度并使沉積層的成型高度穩(wěn)定。還采用MIG焊的工藝進行制造，從而達到既有利于焊絲的熔化，又有利于鋁基板焊接區(qū)氧化膜的陰極霧化清除作用。2、工藝對沉積層宏觀形貌、層寬、層厚以及氣孔率的影響：旁側送粉的方式是容易增加顆粒含量和減少界面反應并且送粉氣從側面容易干擾電弧穩(wěn)定性，所需氣流量大，對電弧的擾亂就大，最終導致電弧增材制造的試樣成形不佳。而同軸送粉因為其中隨氣體進入熔池的粉末顆粒會經過焊槍口處的高溫區(qū)域，而在這種高溫區(qū)域，會導致部分粉末顆粒的燒毀，但是針對B4C陶瓷粉末熔點高(2450℃)的特點，不僅可以避免其在隨氣體進入熔池的過程中經過焊槍附近高溫區(qū)域遭到高溫熔化的弊端，還可以促進鋁基熔體和粉末顆粒的融合顆粒能夠通過特制焊槍內的通道自由落體，所需氣流量小，對電弧的擾亂就小，最終導致制造的復合材料成型良好；隨著電流的增大，熔化的液態(tài)金屬在高溫的停留時間變長，其潤濕性增加，使其有足夠長的時間進行鋪展，導致層寬增大，層高減小，截面的形貌變得逐漸扁平化；沉積速度減小可增加電弧的作用時間，從而導致熔池溫度高，熔融液體金屬的流動性好，凝固速度慢，顆粒沉底多其分別也更加均勻。這樣使得所得樣品的寬度減小，高度增大。此時沉積層有足夠的時間凝固，內部氣體得到有效的釋放，導致沉積層的氣孔率減?。粐娮旄叨却?，產生的電弧所覆蓋的區(qū)域就廣，金屬液體過多造成下淌，導致沉積層層寬較大。3、在多層沉積梯度分布B4C顆粒增強鋁基復合材料的制備研究中，看出由下至上各層沉積層中顆粒的含量逐漸增加，而高含量情況下其易團聚，隨著含量增加氣孔比例也增加。但是增材制造技術中一些尚未解決的突出問題制約了鋁合金產品的推廣運用[37]。所以后續(xù)的研究可以從以下方面入手：鋁基復合材料的電弧增材制造中關于增強相B4C顆粒的密度小，對于如何利用送粉機構將其均勻的加入到金屬復合沉積層中，考慮更換為密度較大的WC顆粒進行鋁基復合材料的電弧增材制造。鋁基復合材料的電弧增材制造成形件的后續(xù)精加工。通過電弧增材制造技術制成的零部件表面的精度不高，并且由于零部件是層層累積而來的，導致存其內部出現(xiàn)明顯的類似“臺階”的現(xiàn)象，現(xiàn)有的研究表明，尺寸精度較高的零部件對耐腐蝕性能有明顯的影響作用。關注超聲波輔助的增材制造方向，在電弧增材制造過程中，電弧熱源帶來一系列不穩(wěn)定的因素，導致其產品的性能不佳。而超聲波對這方面具有明顯的優(yōu)勢，可以考慮引入超聲波來進行電弧增材制造。

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