高性能镁合金增材制造技术研究进展(2)
时间:2024-01-17 10:19 来源:材料成型及模拟分析 作者:admin 点击:次
2 镁合金 WAAM 增材制造技术 WAAM 又称为电弧法熔丝沉积成形，该技术以电弧或等离子弧作为热源将金属丝材熔化，按照成形路径逐层熔覆堆叠，根据三维数字模型由线-面-体制造出接近产品形状和尺寸要求的三维金属坯 体[59]，其工作原理如图 7 所示[60]。与 GMAW、GTAW和 PAW 技术相比，CMT 技术因热输入低、工艺参数精确可控等优点而成为镁合金 WAAM 的主流技术[12-15]。 2.1 WAAM 成形过程的数值模拟 目前有关 WAAM 成形镁合金的数值模拟研究较少。何俊杰等[61]利用 FLUENT 软件建立了镁合金 CMT 成形时焊丝-熔滴-熔池的多相流模型，研究了能量输入及焊丝抽送运动对熔池形态的影响，结果如图 8 所示，在焊丝回抽的短路阶段，熔池被向上提拉并在焊丝端部形成液桥，内部熔体在马兰戈尼效应(Marangoni effect)的作用下由边缘流向中间、由下方流向上方；当焊丝脱离熔池后，熔池受到液桥断裂的反作用力，熔体快速向后方流动而改变熔池形状，焊丝回抽过程中形成的马兰戈尼效应是影响熔池形态的主要因素。GRAF 等[62]利用 MSC. Marc 非线性有限元软件预测了 CMT 过程中焊丝进给速度、焊接路径对 AZ31 镁合金薄壁件温度场的影响，并通过实验手段验证了理论模型的可靠性。 2.2 WAAM 镁合金的微观组织 受制于复杂的制备工艺和高昂的生产成本，镁合金丝材的种类十分有限，现有比较成熟的商业化镁合金丝材主要是 AZ 系列，因此 WAAM 采用的原材料以 AZ 系列镁合金为主。表 5 总结了 WAAM 成形不同成分 AZ 系列镁合金的组织结构特征。 国内外学者针对WAAM技术制备的AZ系列镁合金的力学性能开展了大量研究。表 6 总结了WAAM 成形不同成分 AZ 系列镁合金的力学性能。与 SLM 镁合金相比，WAAM 镁合金能够保持较高的力学强度，同时表现出更高的断裂延伸率。WAAM 镁合金的力学性能具有明显的各向异性，WANG 等[67]研究了 CMT-AZ31 镁合金横向和纵向的拉伸性能，发现沉积方向(TD)的屈服强度和抗拉强度分别为 85.4 MPa 和 225.7 MPa，而构建方向(BD)的屈服强度和抗拉强度分别为 125.9 MPa 和210.5 MPa。同样地，在 AZ61、AZ80M、AZ91、AEX11 等成分中也发现了 WAAM 构件的力学性能具有各向异性现象[63-66]。 仅仅通过调节 WAAM 的工艺参数对材料力学性能的提升效果十分有限，因此有必要采用合适的后处理工艺来进一步改善材料性能。与 SLM 镁合金类似，WAAM 镁合金的后处理工艺也常采用热处理和压力加工等方法。GUO 等[76]对比了沉积态(AD)、固溶处理(T4)、固溶+不完全时效处理(T5)以及固溶+时效处理(T6)对 WAAM-AZ80M 镁合金组织和力学性能的影响，结果见图 11，T4 处理后共晶组织溶解，合金元素的显微偏析有所改善；T5 处理后网状β 相从共晶组织周围析出；T6 处理后细小的 β 相从基体中析出，分布于晶粒和晶界上。T6 处理同时提高了材料的强度和塑性，消除了沿沉积方向和构建方向的各向异性。 郭阳阳[77]研究了滚轧处理对WAAM-AZ80M 镁合金微观组织和力学性能的影响，发现滚轧处理可明显减少材料内部第二相的含量和尺寸，细化晶粒并弱化织构，未经滚轧试样的组织为粗大的等轴晶，平均晶粒尺寸为 56 μm；而经 2 kN 和 4 kN 轧制力滚轧处理后，试样的平均晶粒尺寸分别为 40 μm 和 35 μm，材料的强度和塑性随滚轧压力的增大而逐渐提高。此外，搅拌摩擦处理也能改善 CMT 镁合金的表面质量，可消除焊道搭接与基板的界面处孔洞，进一步细化晶粒而降低服役时的断裂风险，这验证了 CMT 与搅拌摩擦处理复合制造高性能镁合金的可行性[78]。 
近年来，研究人员基于搅拌摩擦成形原理开发了 FSAM 和 AFSD 两种新型固相焊接技术，它们的工作原理如图 12 所示[79]。 
3.1 搅拌摩擦成形过程的数值模拟 现阶段有关镁合金 FSAM 增材制造技术的研究逐渐增多，国内外学者根据数值模拟结果对工艺参数进行了优化，同时研究了 FSAM 镁合金的微观组织和力学性能。李如琦等[85]建立了 FSAM成形多层 AZ31 镁合金薄板的计算流体力学模型，研究了搅拌头转速和板材层数对焊材流变行为、温度场以及应变率的影响，结果如图 13 所示，搅拌区焊材的应变率和再结晶晶粒尺寸随搅拌头转速的提高而增大，搅拌区晶粒尺寸随板材层数的增加而减小。  
图 13 FSAM 过程中 AZ31 镁合金多层薄板的仿真结果[85]
3.2 搅拌摩擦成形镁合金的组织与性能 搅拌摩擦增材制造构件的成形质量与原料类型密切相关，由于商用牌号镁合金的制备工艺成熟、可稳定地生产粉材、丝材、板材等多种形式，因此搅拌摩擦成形的镁合金以商业牌号为主，包括 AZ系列和 WE 系列镁合金。表 7 总结了搅拌摩擦成形镁合金的组织特征与力学性能。 
(1) 随着增材制造镁合金在航空航天、轨道交通、新能源、生物医用等领域的应用范围不断扩大，传统基于粉末冶金工艺开发的商用牌号镁合金粉末无法很好满足增材制造技术的特殊要求，迫切需要开发增材制造专用的具有特定成分、形貌和粒度的镁合金粉末体系，同时完善原材料的评价方法。 (2) 增材制造技术直接制备的镁合金构件往往存在一定的孔隙、裂纹、夹杂物等缺陷，有必要开发适当的后处理工艺，通过表面改性、热加工变形等方法改善构件的组织结构来提高其综合力学性能，以适应更加严苛的使用条件。 (3) 现阶段对于增材制造镁合金服役性能的研究主要集中在力学性能，考虑到构件在实际服役过程中可能同时受到载荷与腐蚀的耦合作用，后续应加强对构件腐蚀行为、应力腐蚀行为、腐蚀疲劳行为的研究，以应对不同的服役工况。 文章引用：郑洋,赵梓昊,刘伟等.高性能镁合金增材制造技术研究进展[J/OL].机械工程学报:1-16[2024-01-15].http://kns.cnki.net/kcms/detail/ ... 0922.1511.052.html. (责任编辑：admin) |