外文翻译-潘文清1

微束等离子转移弧（μ-PTA）线沉积工艺对于增材制造应用程序的发展SuyogJhavar,N.K.Jain：机械工程学科,印多尔印度理工学院,MP,印度C.P.Paul：激光材料加工部门,RajaRamanna先进技术中心，印多尔,MP,印度摘要微束等离子转移弧（μ-PTA）沉积工艺有潜力来满足微观尺寸的制造和高价值部件的维修需求。本文报告了开发μ-PTA的成本效益的和高效节能对于小型沉积的替代工艺为整体目标来维修和/或再制造缺陷压模和铸模。实验装置被开发在同样材料的基材上来沉积AISIP20工具钢的直径为300微米的线，这种材料是为各种应用程序制造压模和铸模的最常用的材料之一。两阶段进行实验以确定重要的工艺参数产生规则和光滑的沉淀颗粒。该工艺为通过多层沉积进一步探索如何在直壁上获得更高沉积速率。μ-PTA沉积工艺被认为是能够制造具有2.45毫米总壁宽和2.11mm有效壁宽度直壁的有效方法。最大沉积速率为42克/小时，沉积效率达到87％。镜检和显微硬度测量表明沉积的壁是游离在裂纹，孔隙，和夹杂物之间的。本研究证实u-PTA在ALM上的沉积能力，方法是通过与具有高能量的压模和铸模工艺制作得到的工艺进行比较。这项工作证实μ-PTA丝沉积工艺拥有像激光工艺这样低成本、高能量效率的优点，从而有可能成为对缺陷的压膜和铸模的维修和再制造的替代工艺。更细的导线可以进一步减小沉积尺寸从而使μ-PTA线沉积工艺来制造小型化的零件。关键词:微束等离子线沉积增材制造维修再制造压模和铸模1.介绍由于使用ALM部分的产品具有较高的能源效率，增材制造被认为是具有优秀减色（即各种加工工序）和形变（即各种成型工艺）的制造工艺。ALM可以用于制造由金属，聚合物，陶瓷，复合材料和功能梯度材料组成的近净形部件。Levy等人（2003）回顾了ALM流程（包括专利以及商业化），快速制造，快速模具应用，并得出结论说，虽然高分子材料的ALM技术与很多快速原型（RP）机器的商业供应已经成熟了，对于金属材料同样使用是不正确的，它仍然给研究人员留下了挑战。他们还提到，能量源的类型是多种ALM工艺之间差异的主要因素之一。金属材料，激光，电子束和电弧是在ALM使用的主要能源。激光和电子束相比于电弧是更精确的能源，因此它们更优微型尺寸的沉积。但是，它的主要缺点是能量转换效率较差，导致制造元件，工具和相关应用能量消耗较高。如何提高能源的使用效率和沉积速率是ALM工艺的两大问题。Suryakumar等人（2011）提到，通过激光或电子束达到的沉积速率是2-10克/分钟，而电弧基于沉积工艺的速率能在50〜130克/分的范围内实现。因此，电弧沉积技术对于金属材料的分散沉积是优选的。Jandric等人（2004）使用钨极氩弧焊（GTAW）工艺为沉积材料成功构建了3D金属部件。所制造的部分游离于裂缝，孔隙之间，而且有均匀的微观结构。Akula和Karunakaran（2006）利用熔化极惰性气体（MIG）和熔化极活性气体（MAG）保护焊和计算机数控（CNC）铣削工艺开发直接金属快速模具制造工艺制造金属压膜和铸模。微弧沉积是具有中尺度修理和制造应用前景的近代ALM技术之一。Horii等人（2009）报道了采用微量的钨极惰性气体（μ-TIG）焊接系统使用微尺寸线微型成功沉积的3D结构的例子。Almeida和Williams（2010）使用熔化极气体保护焊（GMAW）开发外室ALM来沉积Ti-6AL-4V墙。Baufeld等人（2011）采用激光束沉积和与6轴机器人系统的帮助下的GTAW的组合沉积多层单珠壁。他们做了双方的沉积工艺的力学性能的比较研究。其结果证实，激光和GTAW两者都可用于ALM的应用程序。少数研究者已经为ALM应用程序探索了能源使用效率的流程。Rangesh和O’Neill（2012）使用无铅烙铁为ALM应用程序开发了一个自由空间金属沉积系统。他们用焊接臂作为热源以及沉积的支撑。Martina等人（2012）用等离子线沉积来制造Ti-6AL-4V墙。他们使用D-优化设计方法设计他们的实验，并达到1.8千克/小时的最高沉积速率，为100毫米/秒输送1.2毫米直径线。填充材料的形式是ALM进程中的重要参数。它可以以导线状，微米级的粉末状或两者组合的形式出现。Paul等人（2012）曾提到粉末状的沉积材料是激光工艺的首选。然而，涉及到连续沉积组件制造，导线状是首选，因为间歇性的开始和停顿会导致沉积材料的不连续性。并且线的使用达到材料的100％利用率。Kukreja等人（2012）已经表明，在粉末状填充材料的情况下，材料的利用率取决于能源的集水区。跌出集水区的粉末填充材料由于成本效益和环境友好的原因往往需要进行回收。但是，他们的污染阻碍了他们的回收工艺。此外，粉末状填充材料的存储也非常具有挑战性。因此，导线状填充材料的使用是优选的，因为它是较不复杂的，环境友好的和健康危害最小化的。压膜和铸模的塑性变形几何形状，细微裂纹，EWW化的边缘，散热检查和凹陷等各种缺陷，主要发育于当地的影响，热应力和腐蚀的因素下。如果这些缺陷可在早期阶段被识别，它们就可以通过小尺寸的沉积进行校正。Jhawar等人（2013）综述压膜和铸模和其维修选项的各种故障模式，并得出结论使用节能ALM流程来维修和/或改造有缺陷的压膜和铸模能显著提高它们的性能，寿命和盈利能力。Rao（2012）在她的压膜和铸模制造商的全球性情况下的调查中总结，大多数压膜和铸模制造商是中小型企业（SME）。使用高能束工艺（激光和电子束）来再制造/维修有缺陷的压膜和铸模，由于非常高的初始投资和较高的操作成本不能被中小企业承担而被限制。因此，开发一个低成本，省材，节能的工艺来维修和再制造有缺陷的压膜和铸模成为最近的需求。目前的工作试图发展微束等离子转移弧（μ-PTA）线沉积工艺来满足这种需求。本文报道了系统的研究，以确定最优的工艺参数和在输入参数的各种组合表征其性能。实验装置的开发是为了在相同的材料的基材上沉积直径300微米的AISIP20工具钢线材。进行实验以确定用于生产规则和平滑沉积颗粒的工艺参数。工艺为通过多层沉积进一步探索如何在直壁上获得更高沉积速率。表1.基材和沉积材料的化学成分元素碳锰铬钼硅铜镍基材0.41.51.90.20.1————沉积线0.10.971.91.030.540.030.032.实验2.1材料在本研究中，尺寸100毫米×180毫米×9毫米预硬化的AISIP-20工具钢样品用作基材。AISIP20工具钢是铬钼钢，它能承受在锌压铸和塑料成型时遇到的力。铬提供了氧化环境阻力。钼有助于它抵抗点蚀，缝隙腐蚀和耐非氧化环境。此工具钢可抛光到非常高的表面光洁度，因此它是最适合于挤压模具，冲压模具制动器，压铸模铝，注塑模具，大中型模具及成形工具。基材样品用于沉积之前，先切割，机加工，喷砂并用丙酮清洁（表1）。2.2实验装置图1.描述了μ-PTA沉积工艺开发的实验装置的示意图。它是由微束等离子焊接系统和自行研制的安装着基材的X-Y工作台的焊丝输送系统联合开发。AISIP20线的卷筒装载在以850，1275和1700毫米/分钟速率进料的焊丝输送系统上。微束等离子焊接系统的喷嘴适当修改来给熔融池进料。等离子体的产生和屏蔽两者都使用氩气。通过流动在定位于焊枪主体的钨电极和铜喷嘴之间的导电的等离子气体产生电弧。此弧是通过等离子体喷嘴和基材之间设置的附加电路转移到工件。等离子体产生的强热会导致填充焊丝的熔化和融合并伴随着基材的少量熔化。熔池由在整个工艺中提供一个被膜的保护气体而被保护。该系统具有450W的最大等离子体功率容量，电流为在0.1-18A的范围内每隔0.1A变化的数。工作台以100毫米/分的最大行进速度在X方向移动300毫米，在Y方向移动160毫米。图1.为μ-PTA沉积工艺开发的实验装置示意图计算机控制微束等离子电源线轴送丝机基材焊枪沉积方向X-Y工作台氩保护气表2.在试点（主）实验中使用的输入参数的范围（值）属性试点实验范围主要实验值等离子体功率(瓦)50–450350,400,450工作台移动速度(毫米/分)40–16040,50,63,80,100送丝速度(毫米/分)850–1700850,1275,1700送丝角度(度)20–6045站立距离(毫米)5–85等离子体气体流量(标准升/分)0.1–0.50.4保护气体流量(标准升/分)3.0–8.05.02.3实验工艺和观察该实验计划在两个阶段进行：（1）试点实验和（2）主实验。进行试点实验（i）为主实验测定三个输入参数即等离子体功率（P），工作台的移动速度（v）和送丝率（f）的范围，并（ii）为主实验找到送丝角度，站立距离（SOD），等离子气体流速和保护气体流速的最佳值。表2提及在试点实验中所用的输入参数的范围并为主实验确定范围值。通过试点实验发现，45◦的送丝角度能产生最高的沉积效率，Abioye等人（2013）之前的工作也证实了这一点。5毫米的站立距离为最佳，因为它允许通过送丝喷嘴输送平滑焊丝到熔融区，更高投射距离削减等离子体功率。这与Wang等人（2003）的结论一致，他们用SOD和等离子电流研究等离子体功率的变化，发现可以在4和6毫米之间的SOD上获得最大等离子功率。实验发现每分钟0.4标准升（标准升/分）的等离子体气体流速足以向基材转移等离子体功率，同时，5标准升/分的保护气体流速足以保护熔池不受大气污染。据观察，较低值的保护气体流速允许大气中的气体与熔池反应，导致多孔和不均匀的沉积和沉积工艺中的飞溅，较高值的保护气体流速导致熔池产生凹坑的发散就像曝光沉积表面一样。基于试点实验中，三个参数即等离子体功率，工作台移动速度和送丝速率被确定为最显著的工艺参数，为在主试验中进一步研究超过AISIP20工具钢的沉积单轨。在试点实验中，据观察，最小300瓦的等离子体功率被要求熔化固定的300微米长度AISIP20线。在μ-PTA沉积期间，一小部分热量需要用来融化基材称为润湿，它需要开发在基材和连续层之间的牢固的联系。因此，对主实验，等离子功率被括在350-450瓦的范围内变化。连续磁道据观察，工作台的行进速度超过100毫米/分钟的最大送丝速率。因此，工作台移动速度被括在40-100毫米/分钟的范围内。所有送丝速率的三个值在主实验期间使用的制造系统都适用。因此，四十五个主要实验计划，并使用全因子方法来研究等离子体功率，工作台的移动速度，并在宽度，高度送丝率和单珠沉积轨道的质量的影响下进行。每个实验重复三次，并在胎圈质量方面的最好结果为每个实验本文报道。表3给出了输入参数，并用于主实验相应响应的值。每个沉积的轨道在横向的沉积方向被切断，并使用标准金相程序为光学显微镜制备样品。LeicaDMIL倒置显微镜来测量沉积轨道的高度和宽度。每个沉积轨道的质量都通过目测检查来确定。根据沉积的品质，进一步分析选定的轨道，以评估输入能量“El”的单位为焦/毫米，送容速度“Vl”的单位为立方毫米/毫米，材料沉积速率“G”的单位为克/小时。沉积轨道以最低能量输入单位和最高沉积速率的工艺参数的组合被选择为多层沉积积制造直壁。沉积墙的横截面在AutoCAD软件的帮助下进行分析，计算出表面波纹度和沉积效率。扫描电子显微镜（SEM）用Zeisssupra55审查多层沉积中任何孔隙，夹杂物和裂纹的存在。微硬度的测量使用UHLVMHT是持续15秒施加500克力的负荷。3．结果与分析据观察，在实验中使用较高值的等离子体功率和较低值的送丝速率会引起基材和填充材料的过度熔化，甚至沉积材料的蒸发而导致的不连续，空腔，要么没有或非常少垫料沉积。与此相反，使用低等离子体功率和较高的送丝率的结果是在基片和填充材料之间由于填充材料的熔化不充分而导致较低的粘合，与在极端的情况下在基片的碰撞。沉积工艺中产生的碰撞可偏转焊丝从中心位置偏移的递送。就像导线定位到等离子体，为利用最大等离子体能量产生声音沉积，一个输送中心是非常重要的，中心偏移可能会导致错误的导线的定位和不规则沉积。有人指出，声音沉积需要一个等离子体能量和送丝速