1.2电弧增材制造的研究现状

电弧增材制造的研究现状摘要本文采用MIG电弧增材制造技术，运用工业数控机床控制焊枪的行进路径，以ER5356铝合金焊丝为沉积材料，通过送粉机构添加的B4C颗粒为增强相，制备B4C/Al5356复合材料。研究复合材料的成形工艺。经研究分析，得到以下结论：1、电弧增材制造过程中由于热输入不断的累积，导致沉积层的成型出现塌陷，通过在系统引入水循环冷却板并采用夹具将基板固定在水循环冷却板上，使其在增材制造过程中拥有较好的平整度并使沉积层的成型高度稳定。2、工艺对沉积层宏观形貌、层宽、层厚以及气孔率的影响：同轴送粉能够促进B4C颗粒与基体材料的融合；随着电流的增大，熔化的液态金属在高温的停留时间变长，其润湿性增加，使其有足够长的时间进行铺展，导致层宽增大，层高减小，截面的形貌变得逐渐扁平化；沉积速度减小可增加电弧的作用时间，从而层宽增大，沉积层有足够的时间凝固，内部气体得到有效的释放，导致沉积层的气孔率减小；喷嘴高度大，产生的电弧所覆盖的区域就广，金属液体过多造成下淌，导致沉积层层宽较大。3、在多层沉积梯度分布B4C颗粒增强铝基复合材料的制备研究中，看出由下至上各层沉积层中颗粒的含量逐渐增加，而高含量情况下其易团聚，随着含量增加气孔比例也增加。关键词：电弧增材制造；铝基复合材料；5356铝合金；B4C颗粒；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.目录TOC\o"1-3"\h\u20727第1章绪论 -42-绪论课题背景及意义随着现代社会的不断发展，新型材料及其技术等也随之如沐春笋般疯狂的涌现，俗话说，知识改变命运，科技改变世界，如今我们已经切身体会到高新技术以及高科技带给世界人民的福利。其中，随着近年来计算机数控技术,材料科学与工程技术以及焊接技术的不断发展,使得拥有以上技术于一身的电弧增材制造技术也相应取得了飞速的进步。目前作为全世界的重点研究对象之一的电弧增材制造技术，它的出现打破了传统制造技术的诸多工序限制，适合对小批量或者单个产品的原型进行制造。国内外也相应提出了电弧增材制造技术的发展计划，早在2012年的2月，位于美国的国家科技委员会总统执行办公室发布了“先进制造业国家战略计划”的研究报告，列举例了11项优先发展的跨科学技术而增材制造技术就是其中之一[1]。而尽管我国在增材制造技术的相关研究与应用方面相比较国外稍稍晚一步，但随着时代的进步，我国对增材制造的研究也已经今非昔比了。随后在2015年3月5日的政府工作报告中，李克强总理在该报告会上提出了“中国制造2025”，其中就将增材制造纳入了制造业的创新建设项目之一。而近年来，与传统钢铁材料相比，铝合金具有密度小、强度高等优点尤其是它的耐腐蚀性、可加工性及焊接性好的优势更是使得其得到更加广泛的应用。需要指出的是包括大部分铝基合金都有较好的兼容性和输送性能，可作为填充材料，使其能够拥有不俗的性能，在科研过程中他也被纳入通用的铝基填充材料之一。铝合金开始逐渐成为了应用最广泛的金属材料，其已被广泛的在高铁、机械制造业以及航空航天等领域投入应用[2]。而相应的如何保证高质量焊接铝合金已经成为目前研究的热点。作为铝合金其中的一员——5系铝合金，它是变形铝合金中的一种，也称铝-镁合金，作为可热处理不可强化的合金，其拥有广泛的应用前景。而其中5356铝合金，它的含镁量的范围在3-5%之间，其具有密度小、强度高等优点尤其是它的耐腐蚀性、可加工性及焊接性好的优势更是使得其得到更加广泛的应用。需要指出的是包括大部分铝基合金都有较好的兼容性和输送性能，可作为填充材料，使其能够拥有不俗的性能，在科研过程中他也被纳入通用的铝基填充材料之一。故本课题选用5356铝合金进行分析，并在其中加入了碳化硼（B4C）陶瓷颗粒作为增强相来制造复合材料。而关于B4C/Al5356复合材料构件的制造，其中采用的B4C颗粒作为增强相材料，是因为其本身的熔点比较高，并且陶瓷材料与金属材料的复合可以使得复合材料具有不俗性能优势，但是工艺对沉积层宏观形貌、层宽、层厚以及气孔率的影响不太明了，这都对材料的加工提出很高的要求，也是本课题研究的目标。由于在传统的工业生产制造中，应用的增材制造技术的工艺和性能都难以达到当代制造业对零部件的特殊要求[3]，而金属基复合材料产品的增材制造技术又存在材料、技术、工艺等多方面的挑战，因此本课题就金属基复合材料来制造高质量的金属零件，旨在探讨电弧增材制造B4C/Al5356复合材料构件的工艺对沉积层宏观形貌、层宽、层厚以及气孔率的影响规律，为铝基复合材料构件的电弧增材制造技术电弧增材制造技术的进一步研究提供参考。电弧增材制造的研究现状电弧增材制造(WireArcAdditiveManufacturing,WAAM)技术的制造原理有些和熔融沉积工艺类似，其是一种集多种工艺方法于一体的高新技术，它囊括了快速成型零部件、对零部件的设计、制造复合材料以及后续表面处理等多种工艺处理方式。它在制造过程中以电弧作为热源焊丝作为填充材料，熔融的金属丝材都被沉积，形成沉积层，使得其丝材的利用率高[4]；具有较高的沉积效率；属于快速制造，整体制造的周期短；由于采用点线面的方式进行增材制造，它对零件尺寸的限制也少；可被用于修复零件，同时利用该技术还可以制造出类似晶须的大尺寸材料，该技术的出现对生活改善、人类的进步以及知识的创新都具有将其重要的意义。然而目前金属基复合材料产品的增材制造技术存在材料、技术、工艺等多方面的挑战。随着科学技术的高速发展，电弧增材制造技术已经成为国内外研究人员的热点技术。1.2.1国外研究现状电弧增材制造技术最早是由德国的钢铁制造公司在20世纪时与瑞士公司联合，采用埋弧焊(SAW)的焊接方法来增材制造大型的压力容器，相比传统制造的压力容器，它拥有较之良好的力学性能。在实际应用中展现出良好的屈服强度、抗拉强度、以及不俗的韧性。随后在20世纪90年代中期，英国Rolls-Royce公司与克兰菲尔德大学合作开展了高温合金电弧增材制造技术的研究，他们利用镍合金和钛合金作为基体材料，成功制造了飞机发动机的重要零部件，其成功地被应用于飞机发动机高温合金机匣的制造生产中，减少了材料金属过多的浪费，节约了成本更加有利于对社会的可持续发展，欧洲航天局对此进行综合评估，称其为一种低耗能、绿色环保可持续发展的生产制造技术，特别适用于大规格贵金属零件的增材制造[5]。美国SouthernMethodist大学的HWang等人[6]采用VP-GTAW工艺对4043铝合金进行了生产制造实验，分析了成形构件的组织性能、硬度和表面粗糙度等。该校Ouyang等人[7]利用变极性TIG焊接系统增材制造工艺制造出5356铝合金零件，如图1所示，研究了焊接参数与沉积层几何尺寸的关系。他们在对电弧增材制造成型件的研究中发现，通过对基板预热和控制该过程的热输入能够将制造的成型件粗糙度控制在2μm以内，使之能得到更好的成形效果。图1.1为变极性TIG焊接系统增材制造的零件。图1.1变极性TIG焊接系统增材制造的零件[7]韩国科技研究中心Song等人[8]将GMAW成形与铣削技术相结合，通过加减联合的技术，其中以增材制造过程作为加法，而铣削加工作为减法，两者进行同步联动工作，达到了金属成型件的快速制造和相应的表面粗糙度相关要求，他们研究，实现了增材制造与铣削加工相结合的形式来制造金属成型件的可行性。英国Cranfied大学的Martina等人[9]对电弧增材制造技术进行了大量研究工作。用于熔化金属的热源有GMAW，脉冲TIG，等离子弧等，形成基体材料以钛合金为主。他们研究了工艺参数对沉积层的高度和宽度之间的影响，并采用高压轧制法消除了残余物沉积层的应力和变形。在国外国防军事研究中，他们利用增材制造的相关技术对战场平台上受损部件的实时快速修复，还通过WAAM技术直接快速制造出了钛合金与高强度钢结合的大型结构件，此过程大大减少了整个制造周期。英国航空航天系统以及欧洲导弹制造商以及其他大型军工企业和国家研究所都对该技术进行了大量研究工作。1.2.2国内研究现状随着增材制造技术在我国尖端领域的研究，并且应用后随之带来的巨大效益的影响，国内一些科研机构也都开始重视对这方面的技术的研究，目前我国增材制造技术虽还处于起步发展阶段，不过也得到了不少该技术相应的研究进展。哈尔滨工业大学(威海)的刘一搏等人[10]以5356铝合金为原材料，通过冷金属过渡(CMT，coldmetaltransfer)技术来制造成型件，他们的研究发现随着焊接电流的增大，不同焊接方法下的焊缝宽高比呈增大趋势，当焊接速度超过60cm/min－1时，焊接速度对单一方法下的宽高比影响较小。天津大学材料科学与工程学院的申俊琦等人[11]在研究5356铝合金的多层多道焊接快速成形的试样的制备过程中，发现如果能够控制层间冷却时间达到一定的合适值，那将对成型件的宏观形貌、微观结构包括力学性能等都有重大影响。其中成型件的机械力学性能得到了相应的改善。层间间隔时间的变化可以让整个试样的制备获得更好的致密性。在6、10和14min的条件下，对应的试样的组织均匀性和致密性都良好。上海空间推进研究所的潘攀等人[12]研究脉冲变极性TIG焊对5A06铝合金进行焊接，截取焊缝区观察其组织性能时发现，随着脉冲频率的增加，制造得到的试样的焊缝区组织由粗大的树枝晶逐渐细化转变为更加细小的等轴晶使得其力学性能得到改善，得出选择适当的脉冲频率能够达到细化焊缝组织晶粒的作用，从而可以提高焊缝的力学性能。大连交通大学的田仁勇等人[13]通过研究PAW和GMAW复合焊的形式针对材料的焊接接头所产生的残余应力与变形量进行了研究，结果表明与单一的MAG焊相比，作为等离子-MAG复合焊的确可以有效地降低材料在接头处的残余应力和变形，并且随着焊缝坡口角度的减小，残余应力与变形都相应的减小。西安理工大学的赵鹏康等人[14]利用ER5356铝合金焊丝作为填充材料，以交流钨极氩弧焊进行堆焊实验，利用高速摄像采集系统来记录整个堆焊过程中电弧的形态，研究了热输入对该过程中弧光强度、形态以及对成形件宏观形貌的影响。结果表明当焊接线能量较大时，成形件的层宽较大整体表面光洁但是在起弧端凸起和熄弧端塌陷就尤为明显。江西理工大学的罗勇等人[15]对GTAW神经网络-PID温度控制系统进行了研究。实验表明，将该系统与表面金属无线热处理相结合可以有效提高整个金属体的性能。南昌大学的李玉龙等人[16]利用GTAW技术对碳钢进行增材制造，在该过程中通过视觉传感系统对实时电弧进行了采集，他们发现在电压反馈控制系统的辅助下进行增材制造能够获得成形良好的成型件。天津大学的尹玉环[17]同样采用GTAW用于研究5356铝合金零件的快速成型并研究了工艺参数对成型效果的影响。研究表明，当形成相同的层以获得更好的成形效果时，可以获得不同焊道之间的冷却时间。对于整个成型零件，合理控制不同层之间的冷却时间，对于获得良好的成型结果也起着至关重要的作用。天津大学的杜乃成[18]利用机器人手臂进行铝合金增材制造MIG焊的相关研究，在制造过程中利用红外温度计对监测层与通道之间的温度进行实测。实验针对焊接热输入和基材的初始温度进行了分析，研究表明，当焊接热输入量不足时，会增加整个系统的热负荷并降低了焊剂的焊接质量和机械性能。华中科技大学丁冬平等人[19]以CO2气体保护焊为焊接方法，研究其在进行增材制造过程中的工艺参数和焊接成形的路径的影响，并且采用了规划算法，结果针对实验分析提出了不同类型的零件应使用不同路径规划算法来制造，图1.2是该系统制造的斜壁花瓶体零件成形件。图1.2斜壁花瓶体零件成形件[19]东北大学材料与冶金学院的顾江龙等人[20]用WAAM技术来制造2319铝合金备直壁样品，在沉积过程中采用15kN，30kN和45kN的载荷进行层间轧制。研究了两种强化方法：层间冷加工和沉积后热处理，研究了其对有无轧制WAAM合金的影响。装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室的朱胜[21]课题组将GMAW技术应用在设备维护的相关领域，并成功地修复制造了许多有故障的设备零件。另外，我国多所研究所等其他研究机构也都取得相关的研究成果。综上，可以看出，目前的电弧增材制造主要集中于单一材料，对于金属基复合材料涉及较少，特别是铝-陶瓷复合材料的增材制造研究才刚刚起步。鉴于其在增材制造未来发展中的重要地位，本文针对上述现状，探讨工艺参数等作为因素变量，以分析工艺对沉积层宏观形貌、层宽、层厚以及气孔率的影响，为成形前工艺参数的选择提供了参考范围旨在研究电弧增材制造B4C/Al5356，为铝基复合材料构件的电弧增材制造技术提供参考。1.3课题相关的技术基础及原理1.3.1增材制造技术增材制造(AdditiveManufacturing，AM)[22]技术是基于堆焊的原理，先根据零部件的外观扫描后进行三维建模，然后借助计算机辅助设备建立相应数字模型文件，再每次采用较少材料利用计算机数控系统来进行逐层堆积最终制造出成型件的高新技术。增材制造技术在制造的方式上突破了传统的“减材制造”，不需像传统制造那样依赖多工序的结合而是利用熔融的材料，它是通过提前利用计算机数控技术编写程序来设定好路线，通过“自下而上”逐层累加的方式来制造成型件的制造方法。在现如今增材制造俗称“3D打印”，它采用了“互联网+”的先进理念，事先进行计算机辅助设计再根据信息融合材料加工与成形技术进行零部件的制备。将增材制造与传统加工模式进行对比的，相比其他传统的制造工艺，增材制造具有快速制造、效率高、成本低以及智能化等优点。在一般的增材制造过程中，研究人员制造的金属结构零件是先将粉末或金属丝材料融合在一起，然后再通过液态金属凝固层逐层沉积而成。金属零件的AM方法主要可分为四种：基于激光的，电子束的，等离子的和电弧焊的。激光增材制造激光增材制造使用激光作为热源。由于激光热源集中的优点和其他优点，它所制造的成型件的成形精度和拉伸强度较好，广泛被应用于航空航天等尖端领域。激光增材制造技术是一种综合制造技术，考虑了精密成型和高性能的需求。中国科学院研究生院的仲崇亮[23]对激光金属沉积（LaserMetalDeposition，LMD）增材制造技术进行了研究，为高沉积率LMD增材制造技术的发展奠定一定的理论基础和科学基础。LMD工艺的制造过程中通常的送粉方式有两种：同轴和侧向两种送粉方式，其对应的工艺原理示意图如图1.3所示。图1.3LMD两种送粉方式的工艺原理示意图[23]激光增材制造提供了更好的内、外表面成品在更短的生产时间和精确的形状。与其他AM过程相比，它可以提供具有理想的同构组成的组件。该工艺提供了更高的表面光洁度相比，由丝弧添加剂制造工艺。该系统的设计方式是，焊接所需的焊丝被连续地提供给系统，其中激光是熔化焊丝并进行焊接过程的能量来源。它通过低热输入精确运行节省能量，并产生最小失真。线基法和粉基法是激光增材制造的两种方法。线不断融化形成的沉积的方法，粉存在之前的基质激光扫描粉从顶部开始凝固，因此层固化层沉积的粉。NikolayK等人[24]对Ni基的合金粉末进行激光烧结，研究了工艺对轮廓成形的影响，实验表明，采用两种不同的方法可以实现对松散单组分金属粉末的选择性激光处理并指出球化现象是粉末颗粒之间的间隙形成的黑体吸收效应与颗粒能量接受之间产生偏差，使得激光照射在成形过程中对粉末层的不均匀加热所产生的机理。实验表明，在对疏松单组分金属粉末进行选择性激光处理时，球化过程呈现出一些特殊的特点。使用激光作为热源的增材制造技术具有很大的优势，但其也存在相应的缺点：它的制造成型件的精度低，存在加工余量。而且作为制造设备的激光设备价格昂贵且在制造过程中还需要相应的冷却设备这都需要较高的制造成本，在制造过程中的能量传递损耗大、可以适用金属范围有局限，这都导致其难以大规模工业化生产。电子束增材制造技术电子束增材制造技术是一种以电子束为热源来熔化材料，再进行逐层沉积制造三维金属零件，因为其热量集中，适用于钛合金，钛铝基合金等难熔的高性能金属材料的成形制造，其相比激光增材制造技术，其成型件致密度大；在金属3D打印中速度也是最快的。电子束直接制造是金属丝材直接送进打印头，同时用电子束同步在送丝打印头熔融和打印材料，所以这种工艺可以说是逐滴地打印金属件的，工艺精度和质量都比较高，最关键的是材料利用率非常高。清华大学郭超等人[25]以316L不锈钢粉末为材料,对粉末熔化阶段时的电子束功率大小、扫描方式等工艺参数对成形件上表面粗糙度的影响进行了研究并提出电子束功率递增、多遍扫描的方法。电子束增材制造技术也存在相应的不足，譬如实验条件必须为真空，电子束的成本比较高和加工精度和表面质量略差等使得对于电子束增材制造的研究也较少。等离子增材制造技术等离子增材制造技术与电子束增材制造技术原理相似，只是由等离子束作为热源。其实等离子增材制造技术是在等离子熔覆技术的研究和应用基础上发展起来的。邹海平等人[26]采用等离子熔覆的方法对金属添加制造进行了研制,其材料采用耐高温的GH163合金粉末，对相应的等离子熔覆零部件进行研究。关于等离子增材制造的过程中，由于等离子束作为热源弧它的产生会受到其喷嘴孔径的限制，它所产生的电弧直径相比其他电弧增材制造的要小，使得其能量密度更大，所以其主要用于对焊接质量的要求较高的精密焊接场合。目前，关于等离子增材制造技术的相关研究比较少，有待学者对其进一步研究。电弧增材制造技术电弧增材制造(WireArcAdditiveManufacturing,WAAM)[27]技术是类似于沉积工艺，不同之处在于其根据堆焊以及逐层熔覆的原理，通过采用非熔化极气体保护焊等产生的电弧作为热源，逐层沉积出成型件的先进制造技术。其因为采用电弧为热源，具有热输入高、成形速度快的特点，特别适合用于大尺寸复杂零件低成本的制造。图1.4WAAM原理图[5]WAAM技术有两种形式，图1.4（a）所示为基于熔化极电弧的同轴送丝形式，采用工艺方法为常规的熔化极气体保护焊（MeltedInertGasArcWelding，MIG）或冷金属过渡焊工艺（ColdMetalTransfer，CMT）；图1.4（b）所示为基于等离子弧（PlasmaArc，PA）的旁轴送丝形式，其中等离子弧也可换作钨极氩弧，也叫钨极惰性气体保护焊（TungstenInertGasArcWelding，TIG）。而对于TIG电弧増材制造和MIG电弧増材制造，其中TIG电弧的技术基础是以钨极氩弧为热源并与独立的送丝机构送出的焊接材料相结合，通过热输入使得焊接材料熔化冷却后形成紧凑的单层焊缝，通过这样一层一层的堆叠，最终形成具有一定几何形状的零部件。而MIG电弧増材制造的技术基础为熔化极气体保护焊，它是通过采用连续等速的送丝机构将可熔化的焊丝送进，以电弧作为热源来熔化焊丝和母材，通过送丝机构的不断输送的焊丝进入电弧覆盖范围，其受热熔化，在这样不断累积后形成沉积层的技术。MIG电弧増材制造的特点在于：它用焊丝作为电极，通过直流反接后，可选择较大电流，使得焊丝熔化速度加快，以提高整个生产效率，具有广泛的适用性。而与前面所列举的增材制造技术相比，WAAM技术不需要像激光、电子束那样必须采用昂贵的基础设备，它的制造只需要常规的金属焊枪和相应的送丝机构即可满足其需求，再结合多轴数控运动控制系统或者机机器人机械臂就可实现各种实际生产所需的确难以直接制备的大尺寸金属构件并且可以完成各种金属构件的修复再制造。特别是以工业标准牌号焊丝作为原材料，相比于金属粉末材料成本大大降低，焊丝的比表面积较小，可减少夹杂等缺陷的产生，其工艺过程及性能稳定。其生产效率高，焊丝利用率高而且在堆积过程中，焊丝接近百分之百熔入熔池冷却后形成沉积层金属，提高了材料利用率尤其对于需要采用贵重合金材料来制造的零部件。相对传统的减材制造，大大降低材料成本整体制造周期短，只需少量机加工，成形大尺寸件时优势尤为明显；并能快速改进，优化设计[28]；因为WAAM技术具有制造周期较短，只需少量机加工，成形大尺寸件时优势尤为明显，其自动化水平高、设备成本低、材料利用率高，在生产过程中容易改装、快速改进进行优化设计等诸多优点，受到了国内外研究学者的关注，已在生物医学、航天航空等领域得到广泛应用。1.3.2复合材料随着时代的进步，钢铁的使用已经不足以满足现代社会的发展需求，在高速发展的21世纪的时代背景下，获得等强度等特性材料的轻量化尤为重要，而复合材料的出现，这一需求得到了很好的解决。复合材料通常是由两种或两种以上的不同物质通过不同方式进行组合而形成的材料，因此它就有机会能拥有各组元材料的优点，克服单一组元的缺陷[29]。其通常拥有两个基本组成相，其中一个为连续相,称之为基体，它占整个材料的主要部分,主要起粘结和固定作用；另一个是能够显著的增强材料相关性能的分散相,称之为增强相。复合材料可分为很多种，其中按用途可分为功能复合材料和结构复合材料，根据基体种类可分为金属基、聚合物基和陶瓷基复合材料等，按增强相可分为颗粒增强、晶须增强或纤维增强复合材料。据了解,复合材料在如今已经拥有许多成功的案例，其中美国的专攻公司加州分公司在6061-T6铝合金中引入氧化铝陶瓷颗粒，将之混合烧结得到一种复合材料,将之用于制造自行车车架,取得了空前的效果。这种复合材料比纯铝合金制得的车架强度和刚度都有很强的提高。而在日本，关于SiC-Al2O3颗粒增强复合材料制造的制动盘已在冰冻食品高速列车上进行了相关的试验,此复合材料的最大特点是密度小、导热性好、还耐磨是高速和超高速列车的一种理想的制动材料。而金属基复合材料的优良力学性能以及各项特殊性能譬如耐磨、耐热、导电导热等性能导致作为复合材料它的基础性能远超过了其基体的相应性能，使得其在各大尖端领域的实际应用中有很大需求。其中颗粒增强的铝基复合材料拥有极佳的力学性能、经济性、可再加工性特别是它的尺寸稳定性等引起国内外众多科研学者的广泛关注，它已经在广大的科研工作者眼中成为金属基复合材料中最有吸引力的研究方向之一。1.3.3铝基复合材料铝基复合材料按增强相的形式可分为连续纤维增强、片层叠合以及非连续增强，其中非连续增强又包含短纤维或晶须、颗粒增强等。目前在铝基复合材料中以颗粒增强为主，其次为短纤维增强和连续纤维增强的复合材料。铝基复合材料的综合力学性能，决定于铝合金基体和增强相的性能及增强相与基体的界面状态。其中基体在复合材料中占绝大多数，因此，复合材料的力学性能将在很大程度上取决于基体材料的力学性能。就像对铝基复合材料的研究一样，铝基复合材料在基体的选择上也是基于常规铝合金，没有为铝基复合材斜研究和设计特殊的合金。基体的选择，主要是依据其零部件的使用性能和制造方法，它的可选择的范围较广。复合材料组元的选择对其力学性能和组织形态都有相应的影响，其中主要需要注意的是基体合金的力学性能以及后期的热处理。基体合金一般选择变形能力较好，可热处理的合金体系，而众多材料中铝有优于其他金属的许多特点，铝的密度为2.7×103kg/m3，相比钢或者铁的密度要小得多，已经被作为是轻金属的典型代表了，而在加入增强相后会使密度有所略微的增加，但这种影响远为刚度、强度方面的增加而抵消。铝及其合金拥有比其他金属或合金更好的可塑性，而且可以进行适当的加工极易与之强化的材料进行复合，将其作为复合材料的基体材料也逐渐体现出铝及其合金的优势。此外，铝的导电性、导热性都很有代表性，特别是其良好的抗腐蚀性能使得其广受关注。而制造出来的铝基复合材料，它的的性能取决于所选增强相的特性、含量、形状、分布状态及界面的结合强度。作为复合材料它所需要的特性最好是既可以获得既具有金属特性，又具有另一复合材料的特殊性能，如耐热、耐腐蚀以及耐磨等综合性能，而通过优化组合可以使得铝基复合材料也囊括了这些性能，在复合材料中这样的综合性能都是他们所要具备的，必不可少的特性。铝合金分为铝锂合金,铝硅合金,铝锌合金,铝镁合金和铝铜合金等，而5系铝合金属于变形铝合金中的铝-镁合金，它是热处理不可强化的合金，在我们的日常生活中应用较广。而其中5356铝合金的含镁量在3-5%之间，其作为铝-镁合金，也拥有密度小、强度高等优点尤其是它的耐腐蚀性、可加工性及焊接性好的优势更是使得其得到广泛的应用。需要指出的是5356铝合金包括大部分铝基合金都有较好的兼容性和输送性能，可作为填充材料，使其能够拥有不俗的性能，在科研过程中它也被纳入通用的铝基填充材料之一[30]。1.3.4碳化硼颗粒增强铝基复合材料在颗粒增强铝基复合材料中，可作为增强相的材料都有可圈可点的优势，它们可以是外加的也可以是反应自生的，其通常都具有高模量、高强度、高熔点、耐磨以及耐腐蚀等性能。理想的增强相应具备的条件包括：①刚性、强度、硬度等物理性能和机械性能优良；②高温烧结过程中组成的元素不溶入铝基体中；③与铝基体热膨胀系数差别小。根据上述要求，碳化物、氧化物、硼化物以及金属间化合物都可以被作为是增强相的选择。而其中碳化硼是一种性能优良的特种陶瓷硬质材料，Joly在1883年便首次人工合成了碳化硼，并将其写作B3C，直到1934年科学家才将碳化硼的化学计量式修定为B4C[31]。B4C具有熔点高(2450℃)、硬度高、弹性模量高、密度小(2.52g/cm3)、热稳定性好等优点而受到广泛的关注。B4C被应用于耐火材料，耐磨材料，乏燃料控制棒和轻质盔甲等在诸多领域[32]，此外，B4C还能作为高温半导体在电子领域具有较大的应用潜力。碳化硼/金属复合材料有其他材料不可比拟的巨大优势，它拥有良好的力学性能和极强的耐磨性，导致其在高端领域中广泛的使用。而关于制造B4C/Al5356复合材料构件的研究中，由于采用碳化硼颗粒作为增强相，而B4C颗粒本身的熔点就比较高，密度较低并且陶瓷材料与金属材料的加工过程中存在湿润性较差等特点，如何将增强相颗粒的分布均匀以及提出两相间结合较好的加工方式都有待后面的探讨和分析。1.4本课题对经济、环境的影响关于本课题的研究，实验型课题在操作过程中难免会出现缺陷或对比的试样，但这些都属于正常的实验材料消耗，而且我们的实验目的也是为了坚持可持续发展，在研究电弧增材制造B4C/Al5356的铝基复合材料构件并为电弧增材制造技术提供基础数据，使其在日后的发展上实践着可持续发展的目标，而可持续发展对经济环境的影响是一种机会和利益均等的发展，它既包括同代内区际间的均衡发展，也包括代际间的均衡发展，即既满足当代人的需要，又不损害后代的发展能力。随着铝基材料各种技术的发展,目前铝基材料在尖端领域被广泛应用,成为了实现轻量化的主要途径之一，铝基材料制造技术代表了当前铝材料加工技术的最高水平，铝基材料不仅是制造船舶、大型飞机和新型高速列车的必要材料，同时也是我国现如今经济高速发展中各方面都急需的重要材料。中国是一个人口大国，我们在进行科学实验过程中，也会考虑到部分问题，而在这些问题既对科技、经济、社会发展提出了更高目标，也使日益受到人们重视的综合国力研究达到一定的难度。在目前情况下,任何一个国家要增强本国的综合国力，都无法回避科技、经济、资源、生态环境同社会的协调与整合。所以我们在实验的操作过程中用数据说话，通过我们的实验能够对电弧增材制造铝基复合材料，焊接工艺过程提供基础数据并减少其在制造过程中高消耗，以及精度不高等问题，其中对于高消耗以及造成的污染问题进行优化并且通过本课题最后得出的结论，能够使得金属零件在制造过程中，使用最低的成本制造出，精度更高的材料，在这个工程中，物质的消耗也会变少，对经济上，也能够起到一定的节约经济的目的。由此可见，铝基材料的电弧增材制造在未来将会有很大的发展，无论是在工业生产还是在日常生活中都将发挥不可替代的作用。1.5课题研究内容通过前面的介绍，目前的电弧增材制造主要集中于单一材料，对于金属基复合材料涉及较少，特别是铝-陶瓷复合材料的增材制造研究才刚刚起步。尤其是复合材料构件的工艺对沉积层宏观形貌、层宽、层厚以及气孔率的影响规律少有涉及。本文将以工艺参数作为因素变量，分析送粉方式、电流、沉积速度和喷嘴高度对沉积层宏观形貌以及气孔率的影响规律，旨在研究电弧增材制造B4C/Al5356铝基复合材料构件的电弧增材制造技术提供基础理论支持。本论文的主要研究内容包括:研究电弧增材制造B4C/Al5356铝基复合材料构件系统的搭建；研究实验过程中复合材料构件的制作工艺及缺陷,采用光学显微镜，对B4C/Al5356复合材料的金相试样进行低倍显微观察，并通过图像分析处理软件统计复合材料金相试样气孔率并进一步研究复合材料构件的制作；研究电弧增材制造B4C/Al5356复合材料中的颗粒分布状态；采用扫描电镜对电弧增材制造的B4C/Al5356复合材料进行检测及分析；总结各工艺参数对复合材料构件形成、颗粒分布、缺陷等的影响规律。针对以上研究内容制定相应研究方案制定前期训练、工艺调整和实验样品的制备、电镜实验的检测、整理并记录实验数据得出相应结论，研究方案如图1.5所示。图1.5电弧增材制造铝基复合材料的制造工艺研究过程方案

研究方法和方案2.1实验材料实验选用基板是Al6061，板厚为4mm。焊丝为Φ1.2mm的ER5356（化学成分见表2.1），所用的保护气体为纯度为99.99%的氩气，增强相为B4C粉末颗粒。表2.1ER5356铝焊丝化学成分组成成分SiFeCuMnMgCrZnTiAl含量(%)0.250.400.100.05-0.204.5-5.50.05-6-0.20余量其中的B4C颗粒，采用X射线衍射（X-raydiffraction，XRD）分析B4C的物相组成，衍射图谱如图2.1所示。并在扫描电子显微镜（ScanningElectronMicroscope，SEM）下得到其SEM照片，如图2.2所示。图2.1B4C粉末的XRD衍射图图2.2B4C粉末的SEM照片2.2电弧增材制造系统结合丝-弧增材制造和粉末输送工艺（如图2.3所示），完善整个电弧增材制造系统，对这个系统进行搭建，为后面的研究提供技术基础。电弧增材制造系统按送粉方式可分为旁侧送粉式电弧增材制造系统和同轴送粉式电弧增材制造系统。图2.3丝-弧增材制造和粉末输送工艺成形示意图图2.4电弧增材制造系统整个电弧增材制造系统，主要包括工业数控机床、焊机、送粉系统和工作平台四部分。如图2.4所示。2.2.1旁侧送粉式电弧增材制造系统旁侧送粉式电弧增材制造系统是以图2.4为基础，采用旁侧送粉方式进行电弧增材制造的系统，它需要在焊枪外部附近建立送粉通道，固定送粉通道后，通过送粉器吹出可以直接进入熔池，在熔池冷却凝固后自然融合到沉积层中，形成复合材料。旁侧送粉式电弧增材制造如图2.5所示。这种旁侧送粉的方式是容易增加颗粒含量和减少界面反应并且送粉气从侧面容易干扰电弧稳定性，导致电弧增材制造出的试样成形不佳。针对B4C陶瓷粉末密度小(2.52g/cm3)的特点，采用旁侧送粉这种方式，使其不易被送入熔融金属熔池中，需要较大的气流量才能被送入熔池之中，对电弧的扰乱大，导致制造的复合材料性能不佳。图2.5旁侧送粉式电弧增材制造示意图2.2.2同轴送粉式电弧增材制造系统同轴送粉式电弧增材制造系统是以图2.4为基础，采用同轴送粉方式进行电弧增材制造的系统，它则相应的需要特质的焊枪，基于等离子焊枪的设计思路，在原有焊枪枪口上部通道开口建立送粉通道，左右同时建立开口送粉通道，为保证B4C陶瓷粉末能够进入铝金属基体材料且尽可能的均匀分布利用等离子焊枪的原理，将陶瓷粉末通入下方改造的多通道MIG焊枪，此时在左右同时引入B4C陶瓷粉末保证陶瓷粉末与焊枪中送出焊丝的同轴性。同轴送粉式电弧增材制造如图2.6所示。图2.6同轴送粉式电弧增材制造示意图[34]在整个系统运行中，通过采用了相同的气体流量送出粉末颗粒，使其在输送到焊枪口时达到两者之前的平衡，形成粉-丝-粉的稳定系统，两侧的粉末颗粒达到平衡，在焊丝两侧形成同轴的送粉系统，以保证同轴送粉，而同轴送粉因为其中随气体进入熔池的粉末颗粒会经过焊枪口处的高温区域，而在这种高温区域，会导致部分粉末颗粒的烧毁，但是针对B4C陶瓷粉末熔点高(2450℃)的特点，不仅可以避免其在随气体进入熔池的过程中经过焊枪附近高温区域遭到高温熔化的弊端，还可以促进铝基熔体和粉末颗粒的融合。Zhuang等人[34]研究硼对堆焊合金组织和力学性能的影响过程中利用同轴送粉进行了研究，其熔池是由焊丝和母材之间的引燃电弧造成熔融后形成的。值得指出的是，在该过程中他们利用精心设计的焊枪将合金粉通过电弧高温区送入熔池，使熔池中的合金粉得到充分的供给，图2.6中的特制混合焊枪即参考所得。2.2.3工业数控机床的使用工业数控机床是可以通过提前设定好程序，将编写好的程序录入数控设备，实验前需要提前模拟运行控制焊枪的运行轨迹，进行适当调整确认无误后，再空载运行等待后续操作；至于所编程序则按照提前设定的形状，譬如单道多层的墙体结构、再或者封闭的闭合图形，将之进行拆分并逐步编写相应所需行进路线的程序。图2.7为此增材制造系统所制作产品。图2.7电弧增材制造系统所制作产品2.2.4工作平台的搭建工作平台可建立空腔高架平台，因为热输入的累积影响，在增材制造时，随着沉积层的增加，试样的温度逐渐升高，使得单个沉积层的成形形貌产生变化，从而导致了整体试样的成形形貌和尺寸精度等发生变化。而在沉积过程中，由于铝合金的熔点较低，试验的进行过程中，试样的整体温度逐渐增高，使得在成形过程中沉积层出现坍塌现象。为了不影响沉积效率，因为试样的冷却一般都需要等待较长时间，而采用冷却装置来加快试样的冷却可以有效的解决这一问题，因此还可以增加一个冷却装置。研究中使用的水循环冷却板如下图2.8，在研究过程中将基材固定于冷却板上，用以加快试样冷却速度。图2.8水循环冷却板实验之前先将基板进行打磨，再用丙酮对基板表层进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台的冷却装置上，由于增材制造的过程中产生的热堆积会导致基板受热产生变形，为保证其在增材制造过程中保持稳定，采用夹具将其固定在高架工作台的冷却装置上，使其在增材制造过程中拥有较好的平整度并且使得沉积层的成型高度保持稳定。2.2.5焊机的选择焊机采用MIG焊的工艺进行制造，针对铝合金高熔点致密氧化膜（Al2O3）熔点高的特点直流反接MIG焊的使用可以达到清除铝及其合金表面致密氧化膜的作用。使用MIG焊的直流反接，如图2.9所示，即以焊枪接正极，工件接负极（通常称为直流反接,DCEP），此时电子由工件表面发射到焊枪电极，电极温度较高，有利于促进电极熔化，电子溢出对工件上的熔池有一定冷却作用，可以获得浅而宽的熔池，从而达到既有利于焊丝的熔化，又有利于铝基板焊接区氧化膜的清除的作用。不采用TIG焊接方法是因为TIG焊枪中的钨极不能长时间的高温运作，而作为快速制造的电弧增材制造所需要的就是尽可能快的制作出相应的零部件，而MIG焊接的话，它能够长时间的运作，同时还可以承受较大的热输入，能够提高零部件的制造效率，但焊接过程中电弧稳定性较差，可控性不好，易导致零部件的外观成形不佳，为了提高增材制造成形零件的精度，所以针对MIG电弧增材的研究极其重要。图2.9直流反接工作示意图Syed等人[33]研究了使用同轴喷嘴输送粉末和使用侧向喷嘴将金属丝输送到低碳钢激光熔池的好处。他们的证据表明，与单独的金属丝或粉末沉积过程相比，同时送粉时的熔池吸收能量增加了，这使得整体沉积效率的提高和表面光洁度的改善。2.3制造方案及分析目前关于增材制造的研究一般都是先利用设备在基板上制造出单道单层的沉积层，然后以线到面，逐层沉积再得到单道多层，所以单道多层其实是由一层层的单道单层所构成，也就是一道道线组成，最终形成面也就是从宏观上来看是一面墙体。所以墙体的成形质量与每个单层单道的成形都密切相关。因此，在增材制造过程中，我们有必要对单层单道成形质量进行分析，以不同工艺条件来制造，相互之前形成对比，从而从中找出规律，并获得能够沉积出良好墙体质量的工艺参数范围。而墙体的成形过程是在前一层沉积层上成形，但是由于电弧对前一层沉积层的反复作用，其过程中存在热积累，温度场和单层单道相比其制造过程要相对复杂得多，通常前面对后面来说是预热，后面对前面来说是后热。特别值得提出的是，在单道多层墙体的增材制造过程中，在起弧时，电弧瞬间的产生，使得此处的金属熔化不稳定，由此产生了较大的熔覆量，而在收弧时，电弧是缓慢的逐步结束，由于电弧力的存在，熔化的金属沿着沉积层行进的方向继续进行，使得此处的熔覆量较少。如果进行同向的沉积，同向沉积过程中，每完成一层需要熄弧和重新引弧，这种过程逐步的累积，使得起弧处沉积的高度高于稳定的部分，而收弧的过程中随着沉积高度的增加，墙体末端会出现不断有金属液滴下淌，致使最终沉积出来的墙体倾斜于水平面，如下图2.10所示。图2.10同向沉积增材制造的倾斜墙体图示而通过使用来回往复沉积的方式进行墙体制造，起弧和收弧处的特征可以互补，但是由于偏差互补不平衡，在沉积层高度达到一定值时，细微的差距得以放大，使得沉积层的两端出现倾斜，在沉积过程中电弧在墙体上的作用由于高度不同产生变化，使得电弧的稳定性遭到破坏，导致墙体中间稳定部分的力学性能较好，两端相对的力学性能就较差。图2.11为往复沉积增材制造的墙体图。图2.11往复沉积增材制造的墙体图示采用往复的沉积方法，在起弧时相应提高焊接速度，使得该处的熔覆量减少，而对应的在收弧时增加一个短时间的停留动作，将之用于弥补收弧处导致的熔覆量不足。图2.12为综合较好工艺沉积增材制造的墙体图。还有一类是循环的沉积路径，可避免露头端部热场突变导致的一些不良影响，后面制备的环形样品就是基于这个考虑。图2.12综合较好工艺沉积增材制造的墙体图示

工艺及分析本课题开展电弧增材制造B4C/Al5356复合材料工艺分析，探讨了单变量对该工艺的关键影响规律，分别探讨送粉方式、电流、沉积速度以及喷嘴高度对沉积层表面形貌、层宽、层高以及气孔率的影响规律，为铝基复合材料构件的电弧增材制造技术提供基础理念支持。其中以四个关键因子进行探讨，分别是：送粉方式、电流、沉积速度以及喷嘴高度。采用直流反接脉冲MIG焊和同步送粉工艺，样品制备的工艺参数见表3.1。表3.1基本工艺参数工艺参数电流（A）电压(V)送丝速度(m/min)保护气流量(L/min)送粉气流量(L/min)送粉速度(g/min)沉积速度(mm/min)值60-8016-184.5-5.010-114-52200-3003.1送粉方式对沉积层宏观形貌的影响送粉方式，分别探讨了旁侧送粉和同轴送粉两种，使用旁侧送粉式电弧增材制造系统和同轴送粉式电弧增材制造系统，采用相同的基本工艺参数制造，制得样品如图3.1所示。图3.1送粉方式对电弧增材制造B4C/Al基复合材料样品成形质量的影响：相同工艺参数条件下（a）旁侧送粉，(b)同轴送粉从上图可以看出，采用同轴送粉较旁侧送粉电弧增材制造B4C/Al基复合材料的样品成形更佳。分析旁侧送粉过程中容易增加颗粒含量和减少界面反应但是送粉气从侧面容易干扰电弧稳定性，针对B4C陶瓷粉末密度小(2.52g/cm3)的特点，采用这种方式，使其不易被送入熔融金属熔池中，需要较大的气流量才能被送入熔池之中，对电弧的扰乱大，最终导致制造的复合材料性能不佳。而同轴送粉因为其中随气体进入熔池的粉末颗粒会经过焊枪口处的高温区域，而在这种高温区域，会导致部分粉末颗粒的烧毁，但是针对B4C陶瓷粉末熔点高(2450℃)的特点，不仅可以避免其在随气体进入熔池的过程中经过焊枪附近高温区域遭到高温熔化的弊端，还可以促进铝基熔体和粉末颗粒的融合，颗粒能够通过特制焊枪内的通道自由落体，所需气流量小，对电弧的扰乱就小，最终导致制造的复合材料成型良好。3.2电流对沉积层宏观形貌的影响电流的大小与沉积层的宏观形貌密切相关，较大的电流会得到较大的热输入，使得焊丝更加快速的熔化并滴落形成熔池，冷却后便形成宽度较大的沉积层，根据经验可以知道，单位时间在单位长度上通过沉积得到的熔覆量一定时，增材制造的墙体的高度与宽度是负相关的关系。电流的大小能够决定电弧力的大小，而电弧力是对熔融金属铺展的重要因素。电流较小时，产生的热输入不足，使得焊丝熔化后，剩余的能量不足以将熔融金属铺展开来。电弧力相对较小时，会使得电弧冲击力不足，重熔区较小，导致层与层之间的结合较差。在其他工艺参数保持一致的情况下，制作实验分别为电流60A、70A、80A，得到下图。图3.2不同电流参数下的样品宏观成形形貌对比从上图可以看出随着电流的增大，试样的宽度逐渐增大，高度逐渐减小。分析在60、70、80A这一范围内随着电流的增大，沉积层中焊丝材料的熔化量增多，相应的热输入随着电流的增加而增加，使得熔化的液态金属在高温的停留时间变长，并伴随着其的润湿性增加，使其有足够长的时间进行铺展，导致沉积层的宽度较大，高度逐渐减小。若在相同的参数下开展单道多层的沉积，沉积金属的表面存在较大波动，致使沉积层的成形质量差；若开展多道多层沉积，极可能在道间的搭接处发生未熔合现象。可以看出，随着电流的增大，试样截面的形貌是在逐渐变得扁平化。华中科技大学的高炼玲[35]，研究了S5356铝合金在电弧堆积多层单道金属中的成形工艺，研究不同电流对沉积层成形形貌的影响，期间为观察沉积层的形貌特征，通过采用三维测量仪，测定在沉积层上截取垂直于堆积平面的三个横截面，得到下图所示的不同电流大小下沉积层的横截面形貌。研究结果也显示，随着电流的增加，截面的形貌变得逐渐扁平化。图3.3不同电流下沉积层截面形貌[35]3.3沉积速度对沉积层宏观形貌的影响沉积速度的变化对沉积层高度的累加作用极其明显，在满足层间熔合所需的熔敷量时，增大沉积速度可以增加沉积层在高度方向的上的有效增长。随着沉积速度的增大，熔融金属液在沿宽度方向上铺展不明显，而在沿高度方向不断增大，沉积速度的增加使熔融金属液有效阻止了电弧的冲击作用，使墙体在高度上增长较为明显。在其他工艺参数保持一致的情况下，制作两组实验分别为沉积速度300mm/min，喷嘴高度10mm的试样a，另一个为沉积速度200mm/min，喷嘴高度为10mm的试样b。构件的成形基材为6061板材，将在该基板上电弧增材制造成型的复合材料立壁中利用线切割技术取出能表现其整体特征的一段，对切割下来的试样进行打磨抛光，先在砂轮机上进行初步的打磨，使试样的待观察面平整，接着采用240#砂纸手动打磨掉砂轮机上打磨留下的磨痕，再按360#、800#、1200#的砂纸进行细磨。在经过1200#砂纸的细磨过后，将试样棱角倒圆清洗后准备抛光，涂抹金刚石研磨膏后进行机械抛光，直至被抛光面光亮如镜即可。抛光完成后，再用酒精溶液轻轻擦净，然后用吹风机吹干，制成对应试样如图3.4所示。图3.4样品的宏观截面成形形貌从3.4图可以看出沉积速度在从300降低到200mm/min的范围时，电弧作用的时间增大导致温度高，凝固慢，流动性好，沉底多，分布也更加均匀，对应的气孔率明显降低。分析在一定范围内降低沉积速度，沉积速度的减小可以增加电弧的作用时间，从而导致熔池温度高，熔融液体金属的流动性好，凝固速度慢，颗粒沉底多其分别也更加均匀。这样使得样品的宽度减小，高度增大。通过对上面两组试样进行扫描电子显微镜的扫描得到下图对应的SEM照片，如图3.5所示。图3.5样品的微观SEM照片从图3.5可以看出两者的气孔量差异很明显，沉积速度由300mm/min减小到200mm/min时，气孔率明显减低。分析在电弧增材制造复合材料过程中，电弧作用使增材制造的原材料熔化形成熔池，熔池的温度极高，在高温下，铝合金中氢气的溶解度大大增加，大量氢气溶解在熔池中，电弧离去时，熔池温度快速降低，氢气的溶解度快速下降，一部分气泡上浮至表面逸出，另一部分气泡仍处于上浮状态，但由于铝合金密度小，气泡受到的浮力较小，上浮速度慢。同时铝合金结晶速度快，在熔池凝固后仍有气泡未能上浮至逸出，这部分滞留在堆积层的气泡便为氢气孔。而随着沉积速度的减小，熔池内形成的气泡有足够时间溢出，出现的气孔相对就要少得多，由图3.4也可以看出电弧增材制造复合材料进行多层单道沉积时在顶层沉积过程中，一部分新形核的气泡长大至一定尺寸后脱落上浮，另一部分存在于前一层顶部的气孔在金属重熔后也上浮，这样大部分气孔集中存在于凝固金属的上部，使得试样上部出现的气孔率较大。将制得的成形良好的铝基复合材料采用X射线衍射（X-raydiffraction，XRD）分析其物相组成，衍射图谱如图3.6所示图3.6B4C颗粒增强铝基复合材料XRD衍射图在扫描电子显微镜下得到其SEM照片，如图3.7所示。图3.7B4C颗粒增强铝基复合材料微观结构的SEM照片由图3.6可以看出在B4C颗粒增强铝基复合材料中Al峰的强度非常明显，从此可以看出Al在复合材料中占比例大。由图3.7可以得到B4C颗粒在铝基复合材料中分布状态。3.4喷嘴高度对沉积层宏观形貌的影响喷嘴高度，喷嘴的高度越高，而产生的电弧所覆盖的区域就越广泛。喷嘴高度影响保护气氛中侵入的水分，从而对气孔数量产生影响，喷嘴高度过高使沉积过程中电弧被不断拉长，与焊丝同轴送出的保护气体对沉积层作用范围减小，导致气体保护作用减弱，保护气氛中侵入水分及氢，增加了沉积金属中的气孔率。Lin等人[36]用针孔传感器测量了激光辐照粉末流的温度，结果得到在动态条件下用标准热源对传感器进行标定时，它能够在激光熔覆过程中检测到一个光照范围内的热粒子。由于粉末粒度和流速的不同，颗粒温度偏差约为500℃。在所提出的同轴喷嘴设计下，在正常操作条件下，粒子熔化距离在喷嘴出口约20±30mm的范围内。其研究说明喷嘴的高度与制造的成形质量密切相关，所以有必要对喷嘴高度进行分析。在其他工艺参数保持一致的情况下，制作两组分别为喷嘴高度15mm和10mm的实验对比。得到样品如图3.8所示。图3.8喷嘴高度（a）15mm和（b）10mm的样品对比从图3.8可以看出随着喷嘴高度从15mm降低到10mm，得到的电弧增材制造B4C/Al基复合材料整体高度有明显的增加，整体的宽度较均匀，使得整体的成形良好。喷嘴的高度越高，而产生的电弧所覆盖的区域就越广，使得样品的层宽较大，金属液体过多造成下淌，成形不佳，而且随着喷嘴高度的增加熔池的气体保护效果差，气孔率增加。3.5多层沉积梯度分布B4C颗粒增强铝基复合材料的制造工艺目前梯度增强是复合材料3D打印研究的热点，本课题选用基板是Al6061铝合金板，板厚为4mm。焊丝为Φ1.2mmER5356，干伸长为10-12mm，所用的保护气体为纯度为99.99%的氩气，增强相为B4C粉末颗粒，采用MIG焊-同轴输送B4C粉的工艺方法进行梯度增强试样的研究。基本工艺参数见表3.2。表3.2基本工艺参数工艺参数电流（A）电压(V)送丝速度(m/min)保护气流量(L/min)送粉气流量(L/min)送粉速度(g/min)沉积速度(mm/min)值80-8517-184.710-1151.5-3.5200采用MIG焊-同轴输送B4C粉的工艺方法制备的多层Al基复合材料样品，制作过程为每层沉积2mm，每层沉积时控制层间温度并对沉积层表面进行清理。采用鼓轮式送粉器对B4C粉末颗粒进行送粉，其中前3层不送粉，第4-5层以1.5g/min；第6-9层2g/min；第10-15层3g/min；第16-18层3.5g/min。得到如下图3.9所示试样。图3.9多层沉积梯度增强B4C颗粒-Al5356复合材料样品照片（18层堆积）将试样线切割后进行金相试样的制备，在低倍显微镜下采集得到图3.10。图3.10多层沉积梯度增强B4C颗粒-Al5356复合材料样品横截面的低倍显微形貌从图3.10可以看出，多层沉积梯度增强复合材料层间无明显界线，即结合良好。但从第2层开始，实际是在复合材料基体上进行复合材料层的制备，制备过程未对沉积表面进行机械清理，基体中出现明显的气孔，试样通过体式显微镜处理得到如图3.11所示照片。发现越往上，颗粒含量越高，气孔也增多，这些气孔缺陷将对力学性能造成不利影响。图3.11多层梯度增强复合材料中最高层（a）、中上层（b）、中下层（c）和最下层（d）的体视显微镜照片图3.12（a）-（f）分别为梯度增强试样由下至上各层沉积层的金相照片图3.12为多层沉积梯度增强B4C颗粒-Al5356复合材料试样由下至上各层沉积层的金相照片，可以看出由下至上各层沉积层中颗粒的含量逐渐增加，而高含量情况下其易团聚，随着含量增加气孔比例也增加。发现越往上，颗粒含量越高，气孔也增多，这些气孔缺陷将对力学性能造成不利影响。

项目管理4.1技术可行性分析随着科技的不断进步，社会对产品的需求尤为迫切。增材制造是一种能够快速对材料成形的技术，其因为采用电弧为热源，具有热输入高、成形速度快的特点，特别适合用于大尺寸复杂零件低成本的制造。这种技术相比于传统的制造方法具有生产效率高、制造成本低及便于制造复杂性零件等特点。尤其是其在堆积过程中，焊丝接近百分之百熔入熔池冷却后形成沉积层金属，提高了材料利用率尤其对于需要采用贵重合金材料来制造的零部件。相对传统的减材制造，大大降低材料成本，只需少量机加工；并能快速改进，更容易用于商业化生产。我校实验室内拥有由工业数控机床、MIG焊电源系统、送粉系统和工作平台四部分组成的实验装置。同时具有电火花线切割机、光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射分析仪等多种检测设备。这为我的研究提供了设备及技术的支持。4.2成本分析本次研究的成本核算如表4.1所示。表4.1毕业设计成本核算项目项目明细单价样品用量成本材料成本6061铝合金板3元/块8块24元ER5356焊丝70元/公斤0.4公斤28元B4C颗粒200元/公斤0.05公斤10元制造成本氩气150元/罐0.4罐60元用电1元/度6度6元设备折旧——80元其余杂费（砂纸）——20元总成本———228元注：研究过程中均由自己动手操作，故无人工成本费用。4.3经济效益分析在整个电弧增材制造研究过程中，经费主要用于原材料、设备损耗及制备过程中氩气的消耗等方面。本次研究采用电弧增材制造技术，制备过程中无材料浪费，且设备成本低，故本次研究经济花费较少。电弧增材制造技术对材料的适用范围广，对工作环境的适应性强，随着科技的进步，电弧增材制造技术将成为国内外研究学者的研究主流。

结论与展望本文采用MIG电弧增材制造技术，运用工业数控机床控制焊枪的行进路径，以ER5356铝合金焊丝为沉积材料，通过送粉机构添加的B4C颗粒为增强相，制备B4C/Al5356复合材料。研究复合材料的成形工艺。经研究分析，得到以下结论：1、铝基复合材料的电弧增材制造技术拥有广阔的市场，就制造系统进行分析，对于整个增材制造系统，主要包括送粉机构、工业数控机床、焊机和工作平台四部分。其中电弧增材制造过程中由于热输入不断的累积，导致沉积层的成型出现塌陷，通过在系统引入了水循环冷却板，采用夹具将基板固定在水循环冷却板上，使其在增材制造过程中拥有较好的平整度并使沉积层的成型高度稳定。还采用MIG焊的工艺进行制造，从而达到既有利于焊丝的熔化，又有利于铝基板焊接区氧化膜的阴极雾化清除作用。2、工艺对沉积层宏观形貌、层宽、层厚以及气孔率的影响：旁侧送粉的方式是容易增加颗粒含量和减少界面反应并且送粉气从侧面容易干扰电弧稳定性，所需气流量大，对电弧的扰乱就大，最终导致电弧增材制造的试样成形不佳。而同轴送粉因为其中随气体进入熔池的粉末颗粒会经过焊枪口处的高温区域，而在这种高温区域，会导致部分粉末颗粒的烧毁，但是针对B4C陶瓷粉末熔点高(2450℃)的特点，不仅可以避免其在随气体进入熔池的过程中经过焊枪附近高温区域遭到高温熔化的弊端，还可以促进铝基熔体和粉末颗粒的融合颗粒能够通过特制焊枪内的通道自由落体，所需气流量小，对电弧的扰乱就小，最终导致制造的复合材料成型良好；随着电流的增大，熔化的液态金属在高温的停留时间变长，其润湿性增加，使其有足够长的时间进行铺展，导致层宽增大，层高减小，截面的形貌变得逐渐扁平化；沉积速度减小可增加电弧的作用时间，从而导致熔池温度高，熔融液体金属的流动性好，凝固速度慢，颗粒沉底多其分别也更加均匀。这样使得所得样品的宽度减小，高度增大。此时沉积层有足够的时间凝固，内部气体得到有效的释放，导致沉积层的气孔率减小；喷嘴高度大，产生的电弧所覆盖的区域就广，金属液体过多造成下淌，导致沉积层层宽较大。3、在多层沉积梯度分布B4C颗粒增强铝基复合材料的制备研究中，看出由下至上各层沉积层中颗粒的含量逐渐增加，而高含量情况下其易团聚，随着含量增加气孔比例也增加。但是增材制造技术中一些尚未解决的突出问题制约了铝合金产品的推广运用[37]。所以后续的研究可以从以下方面入手：铝基复合材料的电弧增材制造中关于增强相B4C颗粒的密度小，对于如何利用送粉机构将其均匀的加入到金属复合沉积层中，考虑更换为密度较大的WC颗粒进行铝基复合材料的电弧增材制造。铝基复合材料的电弧增材制造成形件的后续精加工。通过电弧增材制造技术制成的零部件表面的精度不高，并且由于零部件是层层累积而来的，导致存其内部出现明显的类似“台阶”的现象，现有的研究表明，尺寸精度较高的零部件对耐腐蚀性能有明显的影响作用。关注超声波辅助的增材制造方向，在电弧增材制造过程中，电弧热源带来一系列不稳定的因素，导致其产品的性能不佳。而超声波对这方面具有明显的优势，可以考虑引入超声波来进行电弧增材制造。

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