【摘要】：S5356鋁合金過渡端框是運(yùn)載火箭的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,用于運(yùn)載火箭助推模塊中級(jí)與級(jí)之間的過渡,實(shí)現(xiàn)兩級(jí)之間的連接,在運(yùn)載火箭的發(fā)射中起重要作用。過渡端框上分布多組加強(qiáng)筋,尺寸大且形狀復(fù)雜。作為級(jí)間的連接部件,它的形狀和精度對(duì)連接質(zhì)量起重要作用,同時(shí),作為火箭發(fā)射過程中的重要承力結(jié)構(gòu),有較高的性能要求。本論文研究了S5356鋁合金過渡端框電弧增材制造工藝及性能,打印出過渡端框模擬件。研究了S5356鋁合金電弧堆積單層單道金屬的成形工藝。當(dāng)堆積電流100A時(shí),堆積金屬的初始溫度大于80℃,堆積層與基板結(jié)合處沒有咬邊缺陷,且堆積層的寬度與高度的比值即外觀成形系數(shù)隨著堆積金屬初始溫度的增加而增加。堆積電流110A-120A時(shí),堆積層尺寸均勻,成形美觀;堆積電流120A-140A時(shí),堆積層金屬鋪展性好,外觀成形系數(shù)較大。堆積電流增加,堆積層外觀成形系數(shù)相應(yīng)增加。研究了S5356鋁合金電弧堆積多層單道金屬的成形工藝。堆積過程的層間溫度為30℃、50℃、70℃,堆積金屬的有效寬度與總寬度的比值即有效寬度系數(shù)分別為0.84、0.90、0.80,均大于連續(xù)堆積金屬的有效寬度系數(shù)0.74。恒定的層間溫度,可增加多層單道堆積金屬的側(cè)面平整度,當(dāng)層間溫度為50℃時(shí)達(dá)到最佳效果。連續(xù)堆積時(shí),堆積電流80A-120A,堆積金屬的有效寬度系數(shù)在0.65左右,堆積電流140A時(shí),堆積金屬的有效寬度系數(shù)為0.74。堆積電流大于120A時(shí),堆積金屬的側(cè)面平整度有一定程度的增加。連續(xù)堆積過程中層間提升量分別為1.5mm、2mm、3mm時(shí),堆積金屬的有效寬度系數(shù)在0.64左右,層間提升量對(duì)多層單道堆積層側(cè)面平整度影響不大。研究了多層單道堆積金屬的氣孔率。層間提升量從1.5mm增加至3mm,堆積金屬中的氣孔率由1.32%增加至2.59%。堆積過程中的層間提升量應(yīng)與堆積金屬的平均層高相對(duì)應(yīng),過小會(huì)降低熔池的穩(wěn)定性,并且易燒損導(dǎo)電嘴,過大會(huì)使金屬中的氣孔率增加。研究了熱輸入及固溶熱處理溫度對(duì)堆積金屬性能的影響。堆積過程的熱輸入從113.35J/mm增加至356.35J/mm,金屬的抗拉強(qiáng)度由265MPa減小至236MPa,延伸率由17.80%下降至13.85%。觀察拉伸試樣斷裂后斷口,斷口處氣孔的數(shù)量及尺寸隨熱輸入的降低明顯減少。金屬在堆積態(tài)及溫度分別為350℃、450℃、500℃固溶熱處理態(tài)下垂直方向的抗拉強(qiáng)度分別為234.8MPa、245.8MPa、256.7MPa、255.8MPa,熱處理后,金屬的抗拉強(qiáng)度有9.3%的提高,斷后延伸率由11.2%增加至14.6%。固溶熱處理溫度450℃時(shí),垂直方向金屬的抗拉強(qiáng)度達(dá)到極限,繼續(xù)升高溫度無(wú)法使強(qiáng)度提高。堆積態(tài)下水平方向金屬的抗拉強(qiáng)度為275.4MPa,隨著固溶熱處理溫度的增加,水平方向金屬的抗拉強(qiáng)度提高約5MPa,強(qiáng)化效果不明顯。堆積態(tài)下,金屬在垂直方向和水平方向抗拉強(qiáng)度差40.6MPa,該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于層間結(jié)合界面液態(tài)金屬的結(jié)晶存在方向性,其次分布于界面附近的顯微氣孔也會(huì)對(duì)性能產(chǎn)生一定的影響。垂直方向和水平方向拉伸試樣斷裂后斷口均勻分布大量韌窩,表現(xiàn)為明顯的韌性斷裂。固溶熱處理使金屬組織中的析出相由晶界處聚集轉(zhuǎn)變?yōu)榫Я?nèi)部彌散分布,隨固溶溫度的增加,晶粒內(nèi)部彌散過程進(jìn)行的越充分,同時(shí),固溶熱處理使晶粒尺寸減小,組織變得細(xì)小均勻。根據(jù)過渡端框的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),制定相應(yīng)的路徑規(guī)劃策略,提出對(duì)稱分塊成形方案,實(shí)現(xiàn)過渡端框模擬件的增材制造。通過對(duì)過渡端框模擬件進(jìn)行三維測(cè)量,得到結(jié)構(gòu)誤差在3.58mm之內(nèi),達(dá)到預(yù)期要求。
【圖文】：

圖 1-1 電弧增材制造成形示意圖子束和激光增材制造，電弧增材制造具有以下優(yōu)點(diǎn)：備和原材料成本低 電弧增材制造系統(tǒng)由焊接電源、控制平臺(tái)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于操作，相比于激光和電子束沉積業(yè)標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)焊絲作為原材料，相比于金屬粉末材料成本大小，可減少夾雜等缺陷的產(chǎn)生，其工藝過程及性能穩(wěn)定產(chǎn)效率高 電弧堆積效率可達(dá)幾千克每小時(shí)，是電子束和短了結(jié)構(gòu)件的制造周期。利用率高 堆積過程中，焊絲接近百分之百熔入熔池形用率。相對(duì)傳統(tǒng)的減材制造，大大降低材料成本。備靈活性高，工件尺寸不受限制 激光及電子束沉積成形保護(hù)氣氛中實(shí)現(xiàn)制造，限制了零件尺寸，電弧增材制造工，具有制造大尺寸零件的能力。

津大學(xué)的劉望蘭等[10]研究了電弧增材制造工藝參數(shù)對(duì)鋁合金堆積層堆積電流，成形速度等參數(shù)對(duì)單層單道堆積層成形寬度和成形高度單道堆積金屬表面粗糙度的分析表明，，層間冷卻時(shí)間，成形路徑等面粗糙度。的R.Kovacevic研究團(tuán)隊(duì)基于變極性鎢極氬弧焊VP-GTAW對(duì)鋁合形質(zhì)量進(jìn)行了研究[11]，得出精確控制增材制造構(gòu)件表面質(zhì)量的關(guān)鍵、弧長(zhǎng)監(jiān)控及基板的預(yù)熱措施。的 Kazanas 等研究了增材制造工藝下，直徑 1.2mm 的 ER706S-6 043 鋁合金焊絲的幾何成形能力[12]。在電弧增材制造平臺(tái)上堆積成的不銹鋼薄壁件及幾何結(jié)構(gòu)封閉的薄壁件，發(fā)現(xiàn)當(dāng)傾斜角度越小時(shí)、三層處越容易產(chǎn)生鼓包。他們提出并采用全位置堆積的方法成形封閉薄壁件，以有效厚度及表面波動(dòng)量為表征量，驗(yàn)證了該堆積方1-2 為采用該方式堆積的結(jié)構(gòu)件。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TG457.14;V46

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本文編號(hào)：2623605