预熔化式电子束熔丝沉积设计及堆焊沉积层冶金研究

Electron beam processing by melting wire includes welding, surface modification, additive manufacturing, etc. The essence is the direct coupling of filling wire-electron beam-molten pool. It is difficult to directly control the coupling of three factors and results in unsatified stability and continuity. The project first proposed the method of electron beam pre-melting process to reduce the number of coupling factors. Three factors are divided into two factors of wire and beam. The pre-melting method (wire is melted by electron beam in the nozzle) is adopted to obtain liquid metal. Then the liquid metal is controlled to transfer by the state of fluid form and to form the molten pool on the base metal, then solidified. The stable and continuous process will be achieved. The problem of keeping the metal be liquid in the nozzle will be solved and the form of transition will be ensured as fluid form in this project. The metallurgical characteristics of molten pool with limited heat input, no convection and stirring will be expounded. The metallurgical law of deposition will be established based on diffused solidification. Metallurgical reaction and mechanism of the microstructure transformation of the interface of dissimilar materials will be clarified to provide a theoretical basis for electron beam pre-melting surfacing and additive manufacturing technology.

电子束熔丝加工领域包括电子束填丝焊接、电子束熔丝表面改性及电子束熔丝沉积增材制造等方向，熔丝填充实质均为填丝-电子束-熔池三者直接作用过程，三因素耦合难控制，导致熔丝过程稳定性和连续性差。为此，本项目提出采用预熔化的方式降低耦合因素的数量，将三因素降低为填丝-电子束双因素，采用预熔化方式（在导流咀内电子束加热熔化丝材）形成液态金属，再控制液态金属以液流方式过渡到基体上形成熔池，最终凝固成形，实现连续稳定的电子束熔丝加工过程。项目拟解决熔化后的填丝在导流咀中保持液态的难题，保证液态金属过渡到基体为液流过渡方式，阐明小热输入、无对流搅拌作用的熔池冶金特征，建立以扩散凝固为主的堆焊层间的冶金规律，揭示异种材料界面处冶金反应及组织转变机理，为实现预熔化式电子束熔丝沉积堆焊及增材制造提供理论依据。

本项目首先对预熔化式电子束熔丝沉积方法进行研究，借助商用数值模拟软件设计并优化了导流咀结构。然后基于数值模拟结果，分别研究了沉积金属与基板熔点的三种匹配关系，即沉积金属熔点低于基板（Al-TC4）、沉积金属熔点与基板接近（TC4-TC4）和沉积金属熔点高于基板（Zr-TC4），证明了预熔化式电子束熔丝沉积方法的适用性。最后以TC4为研究对象，对比分析了预熔化式电子束熔丝沉积与传统电子束熔丝沉积两种工艺在组织、力学性能等方面的差异，阐明了预熔化式电子束熔丝沉积过程中热循环对沉积体组织、应力及变形的影响机制。.预熔化式电子束熔丝沉积工艺研究结果表明，直径1.0mm的TC4丝材临界熔滴半径为r=(3rwσwsinθ/2ρg)1/3。沉积过程中液桥一旦产生便不会消失，在后续的沉积过程中会有源源不断的液态金属维持液桥的存在。当导流咀开槽宽度为4mm时，沉积体成形较好。导流咀开槽宽度增加会削弱导流咀的引流和缓冲作用。电子束功率的增加不仅会增加高温液态金属的区域，反而会降低沉积层高度，增加沉积层宽度。利用预熔化式电子束熔丝沉积方法，沉积金属熔点低于、等于和高于基板温度均可实现沉积，沉积体与基体实现了有效的连接。.预熔化式电子束熔丝沉积层间界面为“拱桥形”，而传统电子束熔丝沉积形成的层间界面呈“下凹”型。“拱桥形”层间界面的形成机理为：熔融的液态金属经导流咀的引流作用过渡至基体金属后基体金属并不熔化，液态金属只是在基体上表面润湿铺展。在500~1670℃区间内，预熔化式电子束熔丝沉积每层的平均冷却速率均高于传统电子束熔丝沉积每层的平均冷却速率。.传统电子束熔丝沉积工艺制备的TC4沉积体抗拉强度为784MPa，预熔化式电子束熔丝沉积工艺制备的TC4沉积体抗拉强度为840MPa。预熔化式电子束熔丝沉积体拉伸试样断裂路径与层间界面交叉，表明层间结合性能优异。第一层沉积层上表面纵向中间位置应力值随着多次沉积过程周期性变化，最大应力值变化范围小于50MPa，冷却至室温后稳定于500MPa。