电弧增材制造(wire arc additive manufacture,WAAM)因成形效率高、设备成本低的优点而成为大尺寸铝合金零部件增材制造的重要发展方向。然而,WAAM层层堆积的工艺特性造成铝合金成形件内部组织不均匀,导致力学性能不佳,使这种先进制造技术推广应用受到限制。

为了提升WAAM铝合金零部件性能,本课题研究了不同工艺,包括机械振动和电弧摆动作用下WAAM 5B06铝合金薄壁件宏观成形、显微组织和力学性能的变化,并探讨相关作用机理。主要结论如下:研究了工艺参数对四种CMT电弧模式单道成形影响规律。CMT+P模式下沉积金属铺展较好,适合于底层成形。CMT+P+A模式下热输入最低,工艺稳定性好,适合于薄壁件成形。通过工艺参数的优化组合可以减少气孔缺陷,使成形试样气孔率降至0.3%以下。

采用通用旋转实验设计方法获得薄壁试样有效宽度预测模型,预测精度接近90%。分析成形薄壁件精度,发现无论是加入机械振动还是电弧摆动,其有效宽度百分比基本稳定在75~85%,尺寸精度与未使用机械振动或电弧摆动相比没有降低,同时电弧摆动可以增加薄壁件有效宽度。WAAM 5B06铝合金薄壁试样增材方向显微组织呈周期性变化特征:熔池区析出相细小弥散、晶粒尺寸小,过渡区析出相粗大、晶粒尺寸较大。

四种电弧模式中,CMT+P模式呈现明显的柱状晶过渡特征,导致其横向拉伸性能明显低于其它三种以等轴晶过渡为主的电弧模式。CMT+P+A模式下不同热输入、层间等待时间等工艺参数变化对拉伸性能及其各向异性无明显影响。

机械振动使WAAM 5B06铝合金薄壁试样过渡区晶粒细化,沉积层间组织不均匀性得到改善,振动加速度达到15m/s2时可以提升横向和纵向抗拉强度约20~30Mpa。电弧摆动则可以改善薄壁试样力学性能各向异性。与不摆动相比,摆动频率达到7.5Hz时,抗拉强度各向异性百分比由17.88%降至8.24%。