電弧增材制造(wire arc additive manufacture,WAAM)因成形效率高、設備成本低的優點而成為大尺寸鋁合金零部件增材制造的重要發展方向。然而,WAAM層層堆積的工藝特性造成鋁合金成形件內部組織不均勻,導致力學性能不佳,使這種先進制造技術推廣應用受到限制。

為了提升WAAM鋁合金零部件性能,本課題研究了不同工藝,包括機械振動和電弧擺動作用下WAAM 5B06鋁合金薄壁件宏觀成形、顯微組織和力學性能的變化,并探討相關作用機理。主要結論如下:研究了工藝參數對四種CMT電弧模式單道成形影響規律。CMT+P模式下沉積金屬鋪展較好,適合于底層成形。CMT+P+A模式下熱輸入最低,工藝穩定性好,適合于薄壁件成形。通過工藝參數的優化組合可以減少氣孔缺陷,使成形試樣氣孔率降至0.3%以下。

采用通用旋轉實驗設計方法獲得薄壁試樣有效寬度預測模型,預測精度接近90%。分析成形薄壁件精度,發現無論是加入機械振動還是電弧擺動,其有效寬度百分比基本穩定在75~85%,尺寸精度與未使用機械振動或電弧擺動相比沒有降低,同時電弧擺動可以增加薄壁件有效寬度。WAAM 5B06鋁合金薄壁試樣增材方向顯微組織呈周期性變化特征:熔池區析出相細小彌散、晶粒尺寸小,過渡區析出相粗大、晶粒尺寸較大。

四種電弧模式中,CMT+P模式呈現明顯的柱狀晶過渡特征,導致其橫向拉伸性能明顯低于其它三種以等軸晶過渡為主的電弧模式。CMT+P+A模式下不同熱輸入、層間等待時間等工藝參數變化對拉伸性能及其各向異性無明顯影響。

機械振動使WAAM 5B06鋁合金薄壁試樣過渡區晶粒細化,沉積層間組織不均勻性得到改善,振動加速度達到15m/s2時可以提升橫向和縱向抗拉強度約20~30Mpa。電弧擺動則可以改善薄壁試樣力學性能各向異性。與不擺動相比,擺動頻率達到7.5Hz時,抗拉強度各向異性百分比由17.88%降至8.24%。