为降低激光直接制造大型TC4构件的基底变形及残余应力, 研究了不同选区顺序对分区扫描成形时基底变形及残余应力的影响。分别采用新定义的由外而内、由内而外选区顺序及常规的随机选区顺序进行沉积实验, 并运用面结构光及X射线衍射检测方法对基底变形及沉积层残余应力进行测量。结果表明: 不同选区顺序对成形件基底变形及残余应力影响显著, 采用由外而内选区顺序可大幅减小基底变形, 与随机选区顺序相比, 基底最大变形量降低60%, 但是在沉积层引入了较大的残余应力, 最大残余应力达到了392 MPa; 随机选区顺序下沉积层残余应力量级较小, 最大残余应力仅约93 MPa, 残余应力分布更为均匀。因此, 分别采用由外而内及随机选区顺序进行前后期成形有利于减小和平衡大尺寸TC4成形件基底变形及残余应力。

针对TC4钛合金材料进行选区激光熔化单道扫描和多道搭接工艺实验。通过改变激光功率和扫描速度来探究工艺参数对TC4成形效果和表面形貌的影响机理。对实验中出现的断续、球化、鱼鳞纹和“爆粉”等现象进行分析和优化。结果表明, 激光功率和扫描速度对熔道宽度和高度有较大影响, 选择合适的工艺参数窗口才能得到连续干净的熔道。熔池的对流运动会导致鱼鳞纹状凝固痕迹, 且随着扫描速度增加, 鱼鳞纹由圆润变得尖细。能量密度对多道搭接成形表面球化颗粒有较大影响。能量密度过大会导致“爆粉”现象, 可以通过降低激光功率或提高扫描速度来预防。

为了对岛式扫描策略在激光熔化沉积中的适用性进行验证, 采用正交连续扫描进行对比, 研究分析了岛式扫描对TC4成形件基底变形及性能的影响。结果表明, 相比于正交连续扫描, 随机跳转岛式扫描策略可大幅减小基底变形, 其较快的冷却速率还将细化析出的网篮α晶粒, 并抑制β晶粒的粗大生长, 但是区域交接处容易产生未熔合孔洞缺陷, 使得成形件抗拉强度与屈服强度有所提升, 但塑性有所削弱。

基于激光熔化沉积技术, 在6061铝合金表面进行了激光熔化沉积AlSi10Mg 铝合金试验, 并引入基体热累积因子XR(红外测温仪监测的温度TR与采集距离R的比值)来研究基体热累积对单道沉积层形貌的影响。结果表明, 随着沉积的不断推进, XR逐渐增大并最终趋于稳定, 即基体热累积量不断增加, 且最终与环境的换热达到动态平衡。此外, 随着XR的增加, 沉积层截面形貌呈扁平化趋势, 具体表现为沉积层宽度和熔池深度逐渐变大, 而沉积层高度变化不明显。研究还表明, 在一定的工艺范围内, 接触角随着XR的增大而减小, 而稀释率随着XR的增大而增大, 并且接触角和稀释率都与XR呈线性相关。

为了分析超声冲击强化激光熔覆层工艺过程的应力场变化规律,建立了超声冲击强化镍基高温合金GH4169基材熔覆镍基高温合金粉末GH95熔覆层过程的仿真模型,使用Marc有限元分析软件分析了超声冲击强化过程中的应力场的变化,并进行了试验验证.结果表明:超声冲击后激光熔覆层残余应力显著减小,局部区域残余拉应力得到完全消除;超声冲击后熔覆层表层形成一定深度的压应力区域,熔覆层X方向形成最大压应力值为－263.9 MPa,残余应力消除率达126.98%.仿真结果为超声冲击激光熔覆层工艺试验提供了理论指导.