摘要
电弧填丝增材制造(Wire+arcadditivemanufacturing，WAAM)是金属零件制造中最常见的增材制造工艺之一。WAAM是以电弧作为热源将焊丝熔化，采用逐层沉积的方式实现零件快速成形。但是增材制造结构件由于多次热循环的相变组织应力和大梯度温度的热应力会引起残余应力和成形缺陷，例如气孔和硬化颗粒等。因此，探索增材制造部件的微观结构、疲劳小裂纹的萌生和扩展规律对于保证增材部件的可靠性及安全性具有重要意义。本文采用试验和理论相结合的方法，对5356铝合金电弧增材件进行了以下内容的研究: 首先，对5356铝合金电弧增材件选择最优工艺参数进行了成型制造，对其进行金相观察，发现了5356铝合金电弧增材制造件呈周期性结构变化，将其分为层间和层内两个区域。采用JEOLJEM2100的透射电子显微镜对5356铝合金电弧增材制造件进行了透射电镜(TEM)试验，发现了铝合金增材制造件在堆积状态下金属的组织主要由白色的α(Al)相基体和黑色的β（Al3Mg2）相组成。对其原始试件和疲劳破坏试件断口处进行了位错密度分析。发现了层间的位错密度是小于层内的位错密度，疲劳断口处的位错密度是明显的高于疲劳断裂前的位错密度。 其次，采用MTS-858电伺服疲劳试验机对5356铝合金电弧增材件进行了应力比为-0.3下的恒幅加载的连续疲劳试验及中断疲劳试验，获得了不同应力水平下的疲劳寿命及表面裂纹扩展形貌。发现了铝合金电弧增材疲劳试件属于多裂纹扩展，应力比为-0.3的情况下初始裂纹长度在70μm左右，有80％左右的裂纹萌生于硬化颗粒处。试件微观图上发现，主裂纹萌生于试件的边缘处或者次边缘处，随着循环载荷的增加，裂纹两端同时扩展，并且裂纹的宽度在不变的增加。从试件的宏观图上发现，最终裂纹产生于试件边缘，导致整个试件产生损伤，造成疲劳断裂破坏。 此外，采用超声无损检测技术，对5356铝合金电弧增材制造件疲劳损伤进行表征。分别对相同位置不同疲劳损伤状态下和不同位置相同疲劳损伤状态下的超声非线性参数进行分析。发现了在相同位置不同疲劳损伤状态下，非线性系数随着疲劳损伤的增加，非线性系数是不断增加的。在不同位置相同疲劳损伤状态下，主裂纹区域处的非线性系数与其他区域的非线性系数相比是最大的。因此，非线性系数可以作为描述疲劳损伤的参数。 最后，考虑层间和层内晶粒尺寸和硬度不同的影响，基于Elber裂纹闭合效应，修正了有效应力强度因子，建立了适用于铝合金电弧增材件的疲劳寿命预测模型。
NETL