1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 江苏省高性能构件激光增材制造工程研究中心，江苏 南京 210016
激光增材制造稀土改性高强铝合金因具备轻质高强、复杂构件一体化成形等优势，在航空航天领域具有广阔的应用前景。围绕激光增材制造成形工艺优化、冶金缺陷抑制、力学性能提升及复杂构件形性调控等的研究是近年来的研究难点。本团队开展了激光粉末床熔融成形稀土改性高强铝合金Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr的激光工艺优化研究，基于试验表征与数值模拟相结合的方法，揭示了激光扫描速度对成形试件表面质量、内部冶金缺陷、熔池传热传质行为及纳米析出相分布的影响机制。结果显示：当激光功率为300 W、激光扫描速度为800 mm/s，并辅以325 ℃/4 h的时效热处理时，成形试件的致密度最优，为99.5%，抗拉强度为512.4 MPa，延伸率为13.3%。基于优化工艺参数对航空领域两类典型的复杂构件开展了成形试验研究，成形试件的最长外形尺寸为570 mm，表面粗糙度Ra≤7.3 μm，尺寸精度可达0.1 mm/100 mm。
激光技术 增材制造 激光粉末床熔融 高强铝合金 工艺调控 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002317
中国激光
2024, 51(10): 1000101
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室，江苏 南京 210016
针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题，采用有限元模拟方法，对激光定向能量沉积（LDED）钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟，通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律，并进行了实验验证。研究结果表明：LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化，当扫描速度为0.32 rad/s时，随着激光功率从1400 W增至2300 W，熔池最高温度从1525.5 ℃升至3289.8 ℃，熔池的体积从1.16 mm3增至7.73 mm3，熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W，扫描速度为0.32 rad/s时，Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大，为1.84，起始堆积Ti层的宽深比次之，为1.42，稳定堆积Ti层的宽深比最小，为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm，熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。
激光技术 激光定向能量沉积 温度场模拟 Ti/Al金属复合 热行为 熔池形貌
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室，江苏 南京 210016
采用激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术在不同扫描策略（岛状、之字形、重熔扫描策略）下制备了W-Ti重合金，研究了扫描策略对W-Ti合金致密化行为、残余应力分布及纳米硬度、抗压强度、断裂应变等力学性能的影响规律。研究结果表明：使用岛状扫描策略可以有效抑制试样内部的孔隙、裂纹等冶金缺陷，且成形件层间冶金结合良好，致密度可达99.4%；岛状扫描策略下成形试样的残余应力分布较均匀，纳米硬度为8.44 GPa，极限抗压强度和断裂应变可达1906 MPa和20.4%，均为三种扫描策略下的最高值。本实验研究明晰了激光扫描策略与LPBF成形W-Ti合金力学性能之间的关系，优化了难加工W-Ti重合金的激光增材制造工艺。
激光技术 激光粉末床熔融 扫描策略 W-Ti重合金 残余应力 力学性能
当前，全球制造业正在发生深刻变革，增材制造(3D打印)技术已发展成为提升高性能复杂构件设计与制造能力的关键核心技术之一，在航空航天、生物医疗、能源、交通、**等领域中的工程应用正不断推进。激光为增材制造技术注入了强大能量，无论是基于送粉方式的激光直接能量沉积(LDED)技术，还是基于铺粉方式的激光粉末床熔融(LPBF)技术，均依靠激光器的更新换代及激光能量密度的跃升，实现了增材制造工艺性能及成形性能的提升。激光也从根本上决定了增材制造过程中金属材料能否熔化的本质问题。得益于高能、绿色、高柔性激光技术的支撑，以LDED和LPBF技术为代表的激光增材制造技术成为金属构件近净成形和快速制造的主流技术之一。
中国激光
2022, 49(14): 1400000
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室，江苏 南京 210016
3 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳 621999
为提升点阵结构的轻量化水平及变形能力，研究了NiTi空心杆点阵结构设计及激光增材制造。通过改变支杆内径，设计了质量系数为100%、93%、75%和50%的四种体心四方空心杆点阵结构，并利用激光粉末床熔融技术成形了对应的NiTi形状记忆合金构件。研究了空心杆点阵结构的质量系数对构件成形质量和显微组织的影响规律，采用有限元模拟法和单轴压缩实验分析了质量系数对结构压缩性能的影响规律，并通过循环压缩-热回复实验揭示了质量系数对NiTi点阵结构形状记忆效应的影响机制。研究表明：激光粉末床熔融技术制备的点阵结构成形质量好，但仍存在由凝固收缩、粘粉及台阶效应引起的尺寸偏差；质量系数为100%的点阵结构的承载能力最好，第一最大压缩载荷可达191.73 kN，对应的变形率为0.22；当质量系数降至75%时，第一最大压缩载荷为89.80 kN，构件承载能力下降53.16%，但压缩变形能力并未减弱，变形率仍可达0.21，且质量系数为75%的点阵结构的形状记忆效应最佳，在第一个压缩循环中回复率可达98.92%。
激光技术 激光粉末床熔融 NiTi合金 体心四方中空点阵结构 压缩性能 形状记忆效应 中国激光
2022, 49(14): 1402303
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
2 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室，江苏 南京 210016
3 直升机传动技术国家重点实验室，江苏 南京 210016
单一材料难以满足日益严苛的工业需求，而具备梯度性能的多材料构件应用前景广阔。利用激光直接能量沉积(Laser Directed Energy Deposition，LDED)技术成形了316L/Inconel 718多材料试样，基于有限元生死单元法，建立了LDED成形多材料有限元模型，考虑了LDED成形过程中异质材料热量传输方式，研究了激光功率和扫描速度对316L/Inconel 718界面热行为、界面缺陷演变及界面结合性能的影响规律。研究表明：当成形Inconel 718层的扫描速度由7 mm/s增至20 mm/s时(激光功率为1100 W)，熔池最大温度梯度由6.02×105 ℃/m增至1.19×106 ℃/m；而液相存在时间由0.52 s降至0.125 s，重熔深度由0.45 mm降至0.22 mm。当成形Inconel 718层的激光功率由900 W增至1500 W(扫描速度为10 mm/s)时，最大温度梯度由8.15×105 ℃/m降至6.93×105 ℃/m；液相存在时间由0.3 s增至0.4 s，重熔深度由0.28 mm增至0.48 mm。当激光功率为1100 W，扫描速度为10 mm/s时，模拟结果表明316L/Inconel 718界面结合良好。最后，采用工艺实验验证了模型的准确性。
激光技术 激光直接能量沉积 温度场模拟 316L/Inconel 718 热行为 界面 中国激光
2022, 49(14): 1402208
1 成都飞机工业(集团)有限责任公司，四川 成都 610073
2 南京航空航天大学材料科学与技术学院，江苏 南京 210016
3 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室，江苏 南京 210016
激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF)AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明：水平方式成形试样(拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向)具有更优的压缩性能，表现出更优异的抗压强度及屈服强度(分别为201.0 MPa与251.3 MPa)；在高温拉伸试验中，不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高(从100 ℃升至175 ℃)均呈下降趋势，而延伸率均逐渐升高，且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样(载荷垂直于试样铺粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历107循环周次的中值疲劳强度为151.25 MPa，疲劳寿命约为2.1×105周次，疲劳裂纹扩展门槛值为0.981 MPa·m1/2。
激光技术 激光增材制造 激光粉末床熔融 高温力学性能 疲劳强度 疲劳裂纹扩展速率
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院, 江苏 南京 210016
2 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室, 江苏 南京 210016
3 直升机传动技术国家级重点实验室, 江苏 南京 210016
激光增材制造技术是当今世界科技强国竞相发展的一项关键核心技术,为航空航天等领域高性能金属构件的设计与制造开辟了新的工艺技术途径。航空航天金属构件兼具轻量化、难加工、高性能等特征,对激光增材制造的材料设计、结构优化、工艺调控及性能和应用评价等均提出了严峻挑战。针对航空航天领域三类典型应用材料(即铝、钛、镍基合金及其金属基复合材料)、四类典型结构(大型金属结构、复杂整体结构、轻量化点阵结构、多功能仿生结构等),阐述了近年来国内外在面向激光增材制造的新材料制备、新结构设计、增材制造形性调控、高性能/多功能构件制造及航空航天应用等方面的研究进展,提出了高性能金属构件激光增材制造的宏/微观跨尺度形性协调机制,并就激光增材制造技术在材料-结构-工艺-性能一体化方向的研究及发展作一点思考与展望。
1 南京航空航天大学机电学院, 江苏 南京 210016
2 铜陵学院机械工程学院, 安徽 铜陵 244000
3 南京先进激光技术研究院, 江苏 南京 210038
金属构件激光增材制造技术是三维打印技术研究的热点, 其比较成熟的制造工艺包括激光熔化沉积技术和激光选区熔化技术。轻合金以其优良的综合性能而广泛应用于航空航天、医疗等行业, 因此与其相关的激光增材制造技术已经成为国内外竞相开展的重要研究方向。在介绍以钛合金和铝合金等轻合金激光增材制造研究现状的基础上, 分析了其存在的主要问题, 并讨论了现阶段国内研究的部分热点及其发展趋势: 专用粉末研发、基础理论研究及高效、高性能构件制造等。
激光增材制造 激光熔化沉积技术 激光选区熔化技术 轻合金构件 研究现状 发展趋势 laser additive manufacturing laser melting deposition selective laser melting light alloy components research status development trends
