摘要
电弧增材制造（Wire Arc Additive Manufacturing,WAAM）技术具有设备成本低、材料利用率高、适合成型大尺寸结构件等诸多优势，被广泛应用于航空航天等技术领域。但在WAAM过程中，复杂的热过程会产生过高的热积累，形成较大的温度梯度，增加了发生高温氧化的区域，容易导致成型缺陷，制约了该技术的进一步发展。因此，研究降低WAAM热积累与防止高温氧化的工艺方案具有重要意义。 本文以Ti-6Al-4V钛合金作为填充材料，采用基于双丝钨极氩弧焊（Gas Tungsten Arc Welding,GTAW）的WAAM技术成型薄壁件为例，模拟了WAAM过程中保护气体的分布，分析了保护气对薄壁件的散热影响，优化了散热数值,进而构建了有限元模型，分析了温度场的分布规律。分别提出了减少热累积、防止高温氧化的工艺方案。具体研究内容如下： （1）利用Fluent软件模拟了WAAM过程中保护气体的分布，研究发现，随着保护气体流量的增加，薄壁墙周围保护气体的覆盖范围和浓度上升；采用相同的气体流量时，向下延长拖罩侧壁能够有效增加保护气的范围和浓度。针对传统拖罩局部保护装置在保护零件免受高温氧化时的不足，提出向下延长拖罩侧壁的方案来提高拖罩对薄壁墙的保护作用，减少薄壁墙受到高温氧化的影响。 （2）通过分析保护气分布的模拟结果，确定WAAM过程中的散热方案，即拖罩部分的薄壁墙散热应按照自然对流传热处理，喷嘴处的薄壁墙散热按照热对流系数为21.2824W/(m2·K)作强制对流处理。将优化的散热参数用于制造过程中的温度场模拟，有利于提高模型的计算精度。 （3）通过验证后的有限元模型，对填充材料的摆动堆积方式、层间停留方式进行数值模拟，分析不同因素对温度场的影响，并通过温度数据优化保护气参数。研究结果表明，采用摆动工艺和200℃的层间停留温度能够有效减少热积累，并且采用摆动工艺还可以提高零件表面平整度、减少滞后停气时间。 模拟研究结果对实际WAAM过程中降低材料热积累与防止高温氧化的工艺参数调整具有指导意义，为电弧增材制造高质量构件过程提供了有益的参考。
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