“激光增材制造”专题
——顾冬冬
[摘要]高熔点金属、高性能材料、复杂构件、形性调控、航空航天应用……这些关键词代表着激光增材制造技术在过去十年的发展与进步。当前，激光增材制造技术的创新发展进一步融合了新材料开发、创新结构设计、整体构件制造、多功能集成、增材制造工艺复合化、打印过程智能化等。机遇与挑战并存，随着激光增材制造技术的创新性和跨越式发展，面临诸多关键科学与技术问题有待进一步研究和突破... ...
Singapore Institute of Manufacturing Technology
[摘要]增材制造作为一种先进成形方法备受关注,然而,增材制造过程的开发通常需要进行高成本且费时的试错实验,这大大限制了增材制造技术的发展。机器学习作为一种新型人工智能技术,可以加快增材制造各环节的研发进程,因而受到了学术界和工业界的广泛关注。本文综述了基于机器学习的增材制造过程优化和新型金属材料研发进展。首先,对应用于增材制造中的机器学习技术进行了简述;其次,对机器学习在金属材料增材制造过程控 制与优化中的应用展开论述,包括成形过程监测与质量控制、工艺窗口预测和沉积路径优化等;然后,介绍了机器 学习在基于增材制造研发新型合金材料的研究与应用现状,包括合金成分设计和组织性能预测等;最后,总结并展 望了机器学习在该领域未来的发展趋势。
中南大学粉末冶金研究院
[摘要]综述了增材制造马氏体时效钢的研究进展,包括增材制造工艺和后处理对力学性能和微观组织的影响以及异质结构马氏体时效钢和梯度结构马氏体时效钢的力学性能和组织结构特点。此外,还总结了增材制造马氏体钢的合金成分、主要作用及其设计思路,分析了合金成分对马氏体时效钢的力学性能和微观组织的影响,着重讨论了复合颗粒增强相在增材制造马氏体时效钢中的强化效果与强化机制。介绍了增材制造马氏体时效钢在随形冷却 模具、激光熔覆修复技术和表面涂层或表面改性等领域中的应用,并对增材制造马氏体时效钢在未来的发展方向 进行了展望。
激光选区熔化DD91镍基单晶高温合金的单道形貌、晶体取向和微观组织
华中科技大学材料科学与工程学院
[摘要]采用激光选区熔化成形了DD91镍基单晶高温合金的单条熔道,研究了激光功率和扫描速度对单道形貌、晶体取向和微观组织的影响规律。结果表明:当铺粉层厚为30 μm 时,在激光功率290~305 W、扫描速度500~700 mm/s工艺窗口内,熔道连续平稳且光滑平直,熔池扁平规则,可为单晶组织的稳定生长提供保障。当熔池与单晶基板冶金良好时,熔池内晶体能够延续基板的取向沿[001]定向外延生长,但熔池对流可使晶体生长方向产生2°以内的小角度偏差,并在熔池顶部发生柱状晶向等轴晶的转变,产生杂晶缺陷。熔池底部、两侧和中部都存在大量沿[001]生长的柱状枝晶,一次枝晶臂间距为0.6~0.8 μm,实现了沿单晶基板的外延生长,但中部晶体形态转变 为纺锤状;熔池顶部晶粒为细小胞状结构,生长方向由[001]转变为[100],这主要是顶部凝固时热量更多地沿扫描 方向(平行于基板)传递导致的。研究结果可为激光增材制备大尺寸单晶组织提供参考。
大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室
[摘要]基础成分是镍基高温合金向多元合金演化的关键。因此,以Ni-20%Cr(20%为质量分数)合金为基础,以Al为合金化元素,利用团簇模型设计5种具有代表性的基础合金成分。系统分析激光增材制造非平衡凝固条件下合金组织和性能随成分的演化规律。结果表明,随着Al含量的增加,沉积态合金的基体组织逐渐由γ-Ni 固溶体向γ'-Ni3Al有序相转化,而沿晶界分布的α-Cr固溶体在数量稳定增加的同时,其形态也由颗粒状变为链条状,且在Al含量(原子数分数)为25.0%时被γ'-Ni3Al+γ-Ni离异共晶组织所取代。合金强化机制由固溶强化向沉淀强化 的转变,致使沉积态合金的硬度和强度随着Al含量的增加而逐渐增强,而塑性则逐渐降低。增加Al的含量有利 于提高沉积态合金的抗高温氧化性能,但过高Al含量会损害合金的可焊性。因此,优质基础合金中Al的含量应 限制在12.5%~18.5%范围内,以使合金兼有良好的力学性能、高的抗高温氧化性和好的可焊性。
西安交通大学机械工程学院
[摘要]采用选区激光熔化(SLM)成型了无裂纹缺陷的难熔NbMoTa系高熵合金RHEA01。采用X 射线衍射仪(XRD)、能谱分析仪(EDS)和霍普金森压杆等,分析了RHEA01合金的结构成分、组织和形貌,对其硬度和多温度段抗压强度进行了测试。结果表明,成型的RHEA01合金无裂纹缺陷,晶粒尺寸仅为8.5 μm,结构为单相体心立方(BCC)结构。适量低熔点元素的添加解决了NbMoTa高熔点合金 SLM 成型过程中的裂纹缺陷问题,并细化了晶粒。获得的难熔高熵合金RHEA01的常温屈服强度和抗压强度分别为1277.35 MPa和1597.62 MPa,硬度为511.76 HV。在1000 ℃时,准静态抗压强度高达993.84 MPa,比常温时仅下降了37.8%,并且1400 ℃时动态(应变率为2000 s-1)抗压强度高达1015 MPa。研究表明,增材制造成型的RHEA01合金具有优异的耐高温高强性 能,在航空航天、能源和国防装备等领域中有很好的应用前景。
沈阳工业大学材料科学与工程学院
[摘要]本文通过在TC4中添加一定质量分数的钒元素(2%,4%,6%,8%,10%),研究了钒对激光熔化沉积(LMD)钛合金沉积态显微组织、相组成及力学性能的作用机制。结果表明,随着V 含量的增加,沉积方向(Z 方向)的原始β柱状晶晶粒尺寸逐渐减小,沉积层底部柱状晶平均宽度从1 mm(TC4+0%V)左右减小到0.24 mm (TC4+10%V),且沿Z 方向组织存在逐渐向等轴晶转化的趋势;不同V 含量的沉积态样件组织均由大量密排六方结构α-Ti(α)相和少量体心立方结构β-Ti(β)相构成,而β相的相对含量(质量分数)随着V 含量的增加,由0.83%(TC4+0%V)逐渐提高到30.91%(TC4+10%V)。另外,随着V 含量的增加,初生针状α组织逐渐细化,并更加趋向于等轴晶。添加V能够明显提高沉积态样件的抗拉强度,但塑性在一定程度上有所降低;当V 元素添加量为6%时,沉积态样件的综合力学性能最佳,抗拉强度约为1018 MPa,屈服强度约为892 MPa,伸长率约为11.2%,均超过了TC4锻件标准;不同V含量的沉积态样件断口上均布满了韧窝,均为塑性断裂。
清华大学机械工程系
[摘要]增材制造镁合金个性化复杂结构在航空航天、交通运输和医疗器械等领域有着广泛的应用前景。然而,镁具有活性高、易蒸发、液体流动性好、热膨胀系数高等特性,镁合金增材制造面临着诸多工艺挑战。系统研究了WE43镁合金的激光粉末床熔融(L-PBF)增材制造工艺,通过调控激光能量输入和扫描策略,获得了熔合质量和力学性能良好、成形精度高的WE43镁合金实体和多孔支架。致密度在较大工艺窗口内超过了99.50%,拉伸强度和 断裂延伸率分别达到275 MPa和15%,多孔结构的实际孔隙率与设计值相差10%以内,表明所提WE43镁合金激 光粉末床熔融工艺具有工业应用潜力。
南方科技大学工学院材料科学与工程系
[摘要]激光增材制造(LAM)技术是智能制造的代表性技术之一,同时也是当前用于金属材料增材加工的主流技术。LAM 成型的金属产品具有几何自由度大、尺寸精度高、质量和性能好等优势,已在航空航天、生物医疗、国防军事等行业中取得了广泛而重要的应用。LAM 成型涉及以激光为热源的高温加热过程,因此通常需要对加工区域进行惰性气氛保护,避免空气对金属材料的污染。近几年来,利用N2、Ar-O2、Ar-N2、Ar-CH4 等活性保护气氛的LAM 技术快速兴起,在多种金属材料的力学性能提升方面取得了令人瞩目的成果,历史性地突破了气氛改性类 技术难以影响材料内部的难题。同时,还涌现出在LAM 加工前利用活性气氛改性打印原材料的新技术路径。本 文针对活性气氛LAM 这一颇具前景的新兴技术,阐述了国内外在近年取得的研究进展:从活性气氛保护的LAM 加工与LAM 原料活性气氛改性处理两大技术方向出发,归纳分析了这一新技术对钢铁、钛合金、铝合金、高熵合金 等代表性金属材料的影响,系统比较了材料在力学性能等方面的提升、在组织与成型质量方面的变化,并详细揭示 了其作用机理。同时,本文总结了活性气氛LAM 技术面临的机遇和挑战,并对进一步明确气氛改性机理、扩展其 应用范围提出了相应的展望。
中国地质大学(武汉)珠宝学院
[摘要]金属蒸气、飞溅和熔池是激光选区熔化(SLM)增材制造过程中的重要物理现象,与成形质量关联密切。本文基于高时空分辨原位成像系统,研究了SLM 成形过程中金属蒸气与飞溅的相互作用。实验发现:金属蒸气不仅可以间接作用于粉末颗粒,即通过卷吸作用诱导的惰性卷吸气流形成粉末飞溅,还可以直接作用于粉末颗粒,即通过抬升力或反冲力使粉末颗粒进入蒸气羽流或落回粉床。得到了从熔池“液基”出射的熔滴飞溅以及从基板“固 基”出射的粉末飞溅的速度阈值。将SLM 成形过程中的飞溅作为示踪粒子,原位测量获得了蒸气反冲压。研究蒸 气反冲力作用下金属蒸气与飞溅的“气-固”相互作用,为深入理解金属蒸气与熔池的“气-液”相互作用等现象奠定 了基础。
重庆大学机械传动国家重点实验室
[摘要]激光选区熔化(SLM)过程中,表面张力使得金属熔池具有团聚球化的趋势,导致熔道内部出现孔隙缺陷。以Cu-Cr-Zr铜合金粉末为对象,通过数值模拟和实验验证,再现了连续熔道和球化效应下熔池和激光反射吸收的演变过程。其中,数值模拟基于VOF两相流模型,充分考虑表面张力和反冲压力等物理现象,同时采用光线追踪算法描述激光和材料的相互作用。结果表明:较高能量密度下可获得稳定的熔池和连续的熔道形貌,由反冲压力引起的凹陷区具有困光效应,导致全局吸收率增大;较低能量密度下熔池的润湿性较差,形成扭曲破碎的熔道形 貌,激光在裸露基板表面的单次反射极大削弱了能量吸收效率,使球化效应下的全局吸收率出现剧烈波动。
北京航空航天大学前沿科学技术创新研究院
[摘要]定向能量沉积激光增材制造逐点逐层熔化堆积的工艺特点决定了工艺参数会对成形态钛合金构件的显微组织和力学性能产生显著影响,最终决定激光增材制造钛合金构件能否达到工程应用的性能要求。以先进航空发动机整体叶盘使用量较大的TC17近β型高强钛合金为研究对象,制备了两种不同层间冷却时间下的激光增材制造TC17钛合金构件,详细研究了层间冷却对成形构件晶粒形貌、显微组织和拉伸性能的影响,探究了热处理对组织演变及拉伸性能的影响。结果表明:随着层间冷却时间的增加,激光增材制造TC17钛合金的显微组织由双态组 织转变为超细α片层网篮组织,β晶粒尺寸无显著变化,α相含量增加而片层宽度下降。连续成形试样具有良好的 综合力学性能,其沿沉积增高方向的抗拉强度可达到1128 MPa,断后伸长率为10.5%,断口形貌为典型的韧性断 裂;层间冷却时间增加会导致沉积态试样强度提高、塑性下降,断裂机制转变为解理脆性断裂。三重热处理可以改 善层间冷却时间不同造成的组织和拉伸性能的差异,但难以获得优异的综合力学性能。
大连理工大学材料科学与工程学院
[摘要]采用基于激光诱导熔化极惰性气体保护(melt inert gas, MIG)电弧焊的增材技术,研究了插补沉积和十字交叉沉积两种不同沉积路径对2319铝合金块体组织性能的影响。结果表明:插补沉积的晶粒细小,柱状晶生长方向一致;十字交叉沉积的晶粒粗大,柱状晶生长方向杂乱无章。在力学性能上,插补沉积和十字交叉沉积的平均硬度分别是97.9 HV和89.2 HV,十字交叉沉积下试件的整体硬度分布更均匀。插补沉积试件的强度和塑性具有 各向异性,十字交叉沉积试件的强度和塑性具有各向同性。其中,插补沉积试件沿X 方向和Y 方向的抗拉强度分 别为233.58 MPa和275.52 MPa,延伸率分别为6.34%和11.12%。十字交叉沉积试件在XY 平面的极限抗拉强 度为251.33 MPa,延伸率为7.68%。研究表明,对于铝合金块体的激光诱导MIG增材技术制造,插补沉积试件在 Y 方向上的整体组织性能优于十字交叉沉积试件。
空军工程大学航空等离子体动力学重点实验室
[摘要]利用光电二极管采集熔池辐射信息,深入挖掘熔池辐射信号中的工艺及过程稳定性信息。基于统计学分析方法研究了不同层高、不同基板位置、不同扫描线角度等过程因素对熔池辐射信号的影响,分析了熔池辐射信息与热积累、烟尘遮蔽等物理现象之间的内在联系,建立了“信号-过程因素-物理机制”之间的对应关系。结果表明,熔池辐射强度均值随层高的增加有明显升高趋势;顺、逆风向的熔池辐射强度波形呈“左偏”、“右偏”形状特征;不同 位置的熔池辐射强度差异明显;扫描线角度是否沿着样件摆放方向明显影响强度均值。其典型规律表明这些特征 可以作为质量监控的重要参考。
南京理工大学机械工程学院
[摘要]在激光粉末床熔融过程中,热循环和热积累导致零件产生残余应力和变形,对零件的成形精度带来极大的影响。由于计算量过大,利用热弹塑性模型难以实现尺寸较大的结构残余应力和变形的模拟。为了实现快速准确的预测,基于改进的固有应变理论,从热弹塑性模型中提取固有应变矢量并逐层施加至典型特征结构中,系统性地研究了四种扫描策略下特征结构的残余应力和变形分布。研究发现,在不同扫描策略下,薄壁结构、悬臂梁和悬垂 圆孔结构表现出相同的变形趋势,即扫描方向沿短边时变形最小。其原因一为扫描方向沿短边方向时扫描矢量长 度较小,二为相同应力下短边变形小于长边变形,从而产生小的残余应力及变形。对悬垂结构增加支撑有利于减 小翘曲变形,提高成形质量。在悬垂圆孔结构外侧,随打印高度逐渐增大的竖直方向的拉应力是影响其变形的主 要原因。所得结果可对获得低应力、高精度增材制造结构以及提高增材制造成形质量提供有效技术支撑。
激光直接能量沉积316L/Inconel 718多材料熔池热行为
南京航空航天大学材料科学与技术学院
[摘要]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。
南京理工大学机械工程学院
[摘要]激光粉末床熔融(LPBF)技术是近年来快速发展的一种增材制造技术,高强铝合金具有低密度、高强度的特点,如何使用LPBF技术高质量地打印高强铝合金成为近年来的研究热点。本课题组创新性地将含Zr的非晶合金引入到7075高强铝合金中,探究了含Zr非晶合金对7075高强铝合金LPBF打印质量的影响。研究发现,含Zr非晶合金的添加可以有效实现晶粒细化,对于7075高强铝合金LPBF打印过程中的凝固裂纹具有明显的抑制作用。通过改变工艺参数探究了激光功率、扫描速度和扫描间距对单层单道、单层多道以及实体打印件的影响规律。通 过正交试验发现致密度和显微硬度最优的工艺参数区间为激光功率300~340 W,扫描速度600~800 mm/s,扫描 间距50~70 μm,并在激光能量密度为142.9 J/mm3 时得到了致密度为99.4%、显微硬度为154.4 HV 的块体试 样。本研究对于提高高强铝合金LPBF可打印性以获得质量稳定的无缺陷打印件具有重要意义。
华中科技大学材料科学与工程学院
[摘要]针对航空航天、交通运输等领域对高吸能抗冲击构件的需求,具备超高吸能特性的力学超材料被广泛研究,主要包括晶格、板格、三周期极小曲面和仿生超材料。吸能的力学超材料通常具有极其复杂的空间结构,传统制造工艺难以成形。增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术基于离散切片、逐层堆积的原理对构件进行快速成 形,具有较高制造自由度,上述技术特点使其成为制造具有复杂微结构吸能的力学超材料的有效途径。系统地综 述了吸能的力学超材料设计及其不同增材制造工艺的研究现状,并展望了吸能的力学超材料的设计与增材制造的 发展趋势,揭示了仿生智能的可回复设计将成为具备吸能效果的力学超材料设计的发展方向。
复杂结构的多轴无支撑3D打印的工艺规划算法研究最新进展和展望
广西大学机械工程学院激光智能制造与精密加工所
[摘要]3D打印已被广泛应用于汽车、航空航天、船舶、医药等领域。但是,传统2.5轴沉积方式在大型复杂结构的制造中面临阶梯效应、需要支撑结构,甚至无法制造的困难。多轴沉积方式为复杂结构的制造打开了新局面,克服了传统方法需要支撑结构的问题,显示出极高的制造灵活性,但目前缺少对多轴无支撑制造的研究总结。因此,本 文首先回顾了多轴无支撑制造的工艺规划方法,根据各方法处理复杂模型的能力,将其分为基于悬垂结构分解、基 于骨架化、基于约束优化、基于曲面层分解和基于内/外体积分解等方法;然后,讨论了多轴无支撑打印在表面质 量、悬垂区域制造、精度控制、路径规划等方面存在的问题和挑战;最后,针对目前存在的问题和挑战,展望了未来 多轴无支撑打印的发展方向。
南京航空航天大学材料科学与技术学院
[摘要]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%。
激光定向能量沉积制造A131 EH36/AISI 1045双金属结构性能研究
新加坡国立大学工程学院
[摘要]采用增材制造技术将异种材料沉积到常规生产的规则半成品零件上的混合制造方式是实现大尺寸复杂双金属结构材料高效制造的有效方式之一。而实现此目标的主要前提之一是保证良好的界面结合质量。因此,采用激光定向能量沉积(DED)技术将A131 EH36沉积到传统轧制的AISI 1045钢上制备双金属结构,并对包含界面区的微观组织演变、力学性能以及切削响应进行研究,同时探究了热处理对性能的影响。结果表明:A131 EH36/ AISI 1045双金属结构内部形成了宽度约为0.5 mm 的无裂纹和未熔合缺陷的过渡区,表现出了优异的界面冶金 结合;过渡区内包含了相互嵌合的组织细化区、组织粗化区、双重热影响区和热影响区,并在热处理后消失;过渡区 的硬度从AISI 1045一侧的(182.0±11.7)HV逐渐增加到了A131 EH36一侧的(297.1±20.1)HV,热处理后的 过渡区的硬度波动显著降低,在190 HV上下波动;直接沉积的双金属结构的拉伸强度和屈服强度略高于较弱的 AISI 1045钢,分别达到了(629.0±1.1)MPa和(471.4±9.2)MPa,延伸率为17.9%;热处理后,双金属结构的屈服 强度和延伸率分别提升了21.5%和23.5%;断口分析表明,双金属结构样品在远离界面区的一侧失效,表现为韧 性断裂,且断裂后样品的原始界面区域没有出现裂纹和孔缺陷,展示了良好的界面结合性能;切削结果表明,DED A131 EH36的切削力比轧制的AISI 1045更平稳且低,最大切削力可降低64.1%,且前者的切削表面质量较好,表 面粗糙度值为(107.0±10.4)nm,低于后者的(111.8±13.6)nm。
中国工程物理研究院机械制造工艺研究所
[摘要]采用激光选区熔化(SLM)技术制备了具有不同杆径的NiTi体心立方(BCC)点阵结构,分析了其成形质量及相变行为,通过有限元分析与实验探究了杆径对一阶固有频率以及结构阻尼的影响。结果表明:杆径对BCC结构的一阶固有频率及结构阻尼有重要影响;杆径增加会使结构的整体刚性增大,一阶模态随之上升,这为通过调控杆径实现多频段减振性能提供了依据;杆径减小导致NiTi点阵的相变温度与孔隙率降低,而相变温度降低与孔隙 数量减少会使材料阻尼降低,从而导致低杆径下NiTi合金BCC点阵结构的结构阻尼显著下降。
华南理工大学机械与汽车工程学院
[摘要]激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, LPBF)成形工艺的特殊性决定其在生产过程中存在巨大的温度梯度、剧烈的物相变化以及极不稳定的熔池,易使零件产生内部质量缺陷,而这些缺陷会直接影响零件的成形质量和力学性能。从致密度和残余应力两个角度出发,对LPBF成形零件的内部质量缺陷进行分类并对其典型特 征、形成机理及其造成的影响进行论述。此外,分别讨论了成形工艺调控方式和新型复合制造调控方式对缺陷的 调控作用,其中激光波长和光斑形貌的调整、增减材复合和多能量场复合的调控方式在未来有望成为LPBF成形 工艺内部缺陷调控的重要研究方向。
北京航空航天大学材料科学与工程学院
[摘要]高性能金属构件的激光增材制造可以实现复杂零件的“近净成形”,是近年来航空、航天、船舶海洋等现代重大装备制造业的研究热点。由于增材制造过程中材料的熔凝行为受原材料组分和制备工艺的影响,一旦材料或成型工艺选择不合理,成型件会不可避免地出现缺陷,影响构件性能。因此,对金属构件激光增材制造中的缺陷产生 机理及控制机制进行研究很有必要。总结了近年来金属构件激光增材制造缺陷的控制方法,归纳了缺陷的种类, 对制造过程中的三种典型缺陷———裂纹、孔隙和夹杂的产生机制进行了分析,并根据其产生机理针对性地提出了 相应的控制机制,展望了金属构件激光增材制造缺陷控制方法的未来发展方向。
武汉大学动力与机械学院
[摘要]金属增材制造技术具有高效成型、节省材料和短加工周期等优点,能突破传统制造工艺的局限生产出空间结构复杂的构件,深受汽车工业、航空航天和医疗器械等领域的青睐。然而,增材制造技术在成形过程中产生的未熔合、裂纹和孔洞等缺陷限制了增材制造技术在工业上的推广与广泛应用。因此,金属增材制造产品的质量控制特别是在线监测具有重要意义。超声检测是材料内部缺陷最常用的手段。相较于传统超声无损检测技术,激光超 声无损检测具有非接触、灵敏度高和适用于恶劣环境等优势,可以实现快速在线监测。本文扼要地介绍了金属增 材制造和激光超声无损检测的技术特点,分析了激光超声的两种作用机制,简单地介绍了激光超声无损检测的原 理和检测系统的搭建,系统地总结了国内外激光超声无损检测在普通金属材料和增材制造材料上的应用进展,并 对激光超声无损检测技术应用于增材制造过程进行了展望。
激光选区熔化成形316L 不锈钢工艺、微观组织、 力学性能的研究现状
中国科学院力学研究所宽域飞行工程科学与应用中心
[摘要]增材制造涉及快速的非平衡热过程,导致成形件中存在大量的亚稳相和缺陷,这些亚稳相和缺陷在构件服役过程中极易成为失效源。因此,打印态构件一般都要经过热处理才能充分发挥其潜在的性能优势。近年来,国内外许多研究机构在激光选区熔化(SLM)制备316L不锈钢方面取得了突破,SLM-316L不锈钢打印态的强度和韧性都远远超过锻件,这是因为材料内部形成了跨越6个数量级的非均匀层级结构(包括晶粒、缺陷、熔池、胞结构、纳米氧化物颗粒),这是增材制造通过其特殊的非平衡热过程调控材料微结构的结果。316L不锈钢具有面心 立方结构,在冷却至室温过程中不发生固态相变,这种特性非常有利于开展基础研究,揭示增材制造材料跨尺度结 构对其性能的影响规律。本文详细阐述了SLM-316L不锈钢成形在工艺、跨尺度结构及力学性能方面的研究现 状,结合笔者的工作,阐明并分析了SLM-316L不锈钢具有高强高韧力学性能的主流学术观点,展望了该材料今后 的重点研究方向。
中国航空制造技术研究院
[摘要]利用搅拌摩擦技术,制备了不同工艺复合修复的激光熔化沉积2024铝合金,并且对这种复合工艺下制备的铝合金样品的显微组织和力学性能进行了研究。采用了直径为10 mm 的搅拌头,搅拌摩擦工艺的旋转速度和进给速度分别为800 r/min和50 mm/min。利用光学显微镜和维氏硬度计研究了复合制造2024铝合金的显微组织和力学性能。结果表明:与激光熔化沉积相比,经过80%搭接率搅拌的2024铝合金的显微组织得到了细化,呈现梯度分布;时效处理后,基板区的硬度为135~140 HV,得到了显著提高,且经过搅拌后二次沉积的变形区域硬度 可达到160 HV,同时随着沉积次数的增加,硬度出现梯度分布。
东南大学机械工程学院
[摘要]水下定向能量沉积技术能够对水下结构件的表面损伤进行原位修复,在海洋工程领域具有广阔的应用前景。受损钛合金结构件水下修复后表面的耐蚀性对于其服役安全至关重要。本研究团队采用水下定向能量沉积技术对Ti-6Al-4V预制梯形槽进行水下修复,通过对比水下和陆上定向能量沉积结果,阐明了水下修复工艺对组织、硬度和电化学腐蚀特性的影响。结果表明:水冷淬火提高了水下熔池的冷却速率,并降低了沉积过程的热积累,生成了具有较高位错密度和较高硬度的针状马氏体组织;与陆上定向能量沉积试样、基体材料相比,水下定向 能量沉积试样具有更好的耐蚀性,水下沉积Ti-6Al-4V 的耐蚀性主要受组织晶粒度、合金元素分布以及表面组织 状态的影响。本文研究结果能够为钛合金装备水下激光增材修复提供参考和理论基础。
选区激光熔化IN625镍基高温合金长期热暴露组织及性能演变规律研究
上海工程技术大学材料工程学院
[摘要]利用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)制备IN625镍基高温合金,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、热力学计算和力学性能测试等方法研究了SLM IN625合金在700 ℃长期热暴露过程中微观组织及力学性能的演变规律。结果表明,SLM 制备态合金经过高温固溶处理后,原始的非平衡态组织完全消除,形成了均匀一致的再结晶组织。在长期热暴露过程中,未经固溶处理的制备态合金中的δ相优先在枝晶间形核,而固溶态合金中的δ相由晶界形核逐渐向晶内生长;同时,制备态合金中δ相形核率较高而粗化速率较小,且γ″相向δ相的转 变速度更快,在热暴露1000 h时,整个晶粒内布满了致密的δ相,γ″相向δ相的转变基本完成,而固溶态合金中δ相 主要聚集在晶界两侧,且晶内仍分布着大量的γ″相;Si元素的晶界偏聚使得制备态合金晶界处形成了大量Laves 相,并造成了晶界附近δ相的贫化,而固溶态合金的晶界析出相主要以M23C6 为主;经过长期热暴露后,两种状态 合金的强度均逐渐增大,塑性逐渐降低,但由于制备态IN625合金中δ相的含量较高,故其抗拉强度和屈服强度明 显高于固溶态,而延长率相对较低。
