电弧熔丝增材制造控形技术研究现状与展望

金属增材制造是制造强国战略下推动我国高端装备制造业转型升级的重点发展方向。电弧增材制造以其高沉积效率、低成本、可进行复杂结构直接成形等优势受到了广泛的关注。但增材过程中涉及的物理过程复杂,成形质量与精度面临很大挑战。针对电弧增材制造技术短流程、长周期的制造特征,讨论如何从热源上降低成形偏差、从过程上降低制造误差、从结果上改善成形精度,介绍了一系列创新的热源调制、过程控制与结果优化的方法策略,总结了现有技术存在的问题与面临的挑战,为如何进一步提升电弧增材过程的成形控制效果提出了几点思考。

熔丝制造3D打印CFRP层内损伤破坏机理与模型研究

为将3D打印技术应用到桥梁工程中,以熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环为研究对象,开展了材料层内损伤失效机理的基础性研究工作.首先,对锚环进行了张拉锚固破坏试验,明晰材料的损伤失效模式.其次,测试分析了材料的弹性参数及强度参数值,供后续仿真分析使用.最后,通过VUMAT子程序构建了材料的损伤失效本构关系,利用ABAQUS仿真分析软件模拟熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环的渐进损伤失效全过程,分析其层内损伤失效机理.结果表明:熔丝制造3D打印碳纤维复合材料具有显著的层内损伤现象;选用Hashin损伤起始判据与刚度瞬间退化模型作为熔丝制造3D打印碳纤维复合材料损伤力学模型偏于安全,具有一定的可行性;锚环在高度方向产生纵向裂纹是由纤维拉伸失效导致的.

电子束熔丝增材制造Ti-6Al-4V钛合金研究进展

电子束熔丝增材制造技术因其电子束能量密度高、所处真空环境等优势,逐渐成为金属增材制造领域的研究热点之一。回顾了电子束熔丝增材制造技术的发展历程及现状,介绍了一种新型电子束熔丝增材制造技术——同轴送丝电子束熔丝增材制造。结合作者课题组近几年的研究工作,针对Ti-6Al-4V钛合金的成形缺陷、显微组织及力学性能,对传统电子束熔丝增材制造技术和同轴送丝电子束熔丝增材制造技术进行了对比论述,其中同轴送丝电子束熔丝增材制造有望沉积β晶粒更细、更等轴的钛合金构件。最后结合当前研究存在的不足,对电子束熔丝增材制造的发展给出了建议。

送丝角度与方式对激光熔丝单道沉积层成形的影响

为了研究旁轴激光熔丝增材制造过程中,焊丝送入熔池的方位对沉积层成形的影响,进行了不同送丝角度和送丝方式下的单道激光熔丝沉积试验,分析对比了沉积层的层宽、层高、表面粗糙度、截面形貌和基板熔深随送丝角度和送丝方式的变化规律.结果表明,旁轴送丝的送丝角度和送丝方式对激光熔丝单道沉积层的成形都有一定影响,且送丝方式大于送丝角度对沉积层尺寸和形状的影响;随着送丝角度的增大,3种送丝方式的基板熔深都逐渐减小,前置送丝和后置送丝沉积层的层宽逐渐减小,层高逐渐增大,而侧置送丝沉积层的层宽、层高和表面粗糙度则变化较小;前置送丝和后置送丝沉积层的截面形状呈对称的圆弧形,侧置送丝沉积层的截面形状不对称,最高点偏向焊丝一侧.

电子束熔丝沉积镍基高温合金组织演变及力学性能研究

电子束熔丝沉积技术因其材料利用率高、高能量密度和高真空环境等在航空航天等领域得到广泛应用。以GH4169镍基高温合金为研究对象,开展电子束熔丝沉积实验,利用SEM、TEM和XRD等表征手段对显微组织进行分析。同时,在室温下对沉积态试样进行力学性能测试,以研究沉积过程中微观组织演变及其对力学性能的影响。研究发现,沉积过程中元素偏析导致Laves相沿枝晶间析出,热循环引起的热累积导致γ″相在Laves相周围析出。在加载阶段,硬脆的Laves相破碎形成裂纹源,断裂模式为微孔聚集型断裂。

加速电压对电子束熔丝沉积304不锈钢组织与静力学性能的影响

电子束熔丝沉积(Electron Beam Fuse Deposition,EBFD)是近年来发展较为迅速的金属3D打印技术。采用EBFD技术针对304不锈钢材料进行打印,比较电子束熔丝沉积过程中不同加速电压对成形产品宏观形貌、致密度、显微组织和力学性能的影响。结果表明,加速电压为50 kV时,微观组织中奥氏体晶粒较少,加速电压增加至60 kV时,奥氏体晶界完全形成,并随着加速电压增加而持续生长;当加速电压为60 kV时,综合力学性能表现最佳,各向异性表现最弱,断口也表现为韧性断裂。

不同路径对电子束熔丝沉积304不锈钢组织与性能的影响

目的采用电子束熔丝沉积方法进行打印,以获取具有高抗拉强度与高伸长率的304不锈钢。方法以304不锈钢丝材为材料,当加速电压为60 kV、聚焦电流为430 mA、束流强度为22 mA、成形速度为250mm/min、送丝速度为1400mm/min时,在成形路径为“弓字形”和“交替弓字形”条件下打印不锈钢样品,在样品x、y、z3个方向上截取试样,采用金相、扫描电镜、透射电镜及拉伸试验等分析手段,对试样的微观组织和力学性能进行研究。结果在“弓字形”成形路径下,产品x方向试样的显微组织主要以等轴晶为主,而y方向试样的显微组织以相互平行的柱状晶为主;在“交替弓字形”成形路径下,产品微观组织主要是相互垂直的柱状晶,在z方向试样中出现了位错胞结构。在“交替弓字形”成形路径下,z方向试样具有最优的综合力学性能,其致密度为98.60%,抗拉强度为(1344±14)MPa,屈服强度为(701±7)MPa,断后伸长率为(25±0.4)%。结论在EBF打印304不锈钢样品中,选用“交替弓字形”成形路径能使不锈钢具有更高的致密度,可以提升抗拉强度和屈服强度。

一种应用于反熔丝FPGA的快速启动电荷泵设计

针对传统Dickson结构电荷泵升压较慢,在用户模式下降低反熔丝FPGA工作速度,以及造成电路工作时序混乱的问题,在传统结构的基础上设计一种快速启动的电荷泵电路。该电路在常见的振荡器、非交叠时钟产生电路、主体电荷泵电路之外增设时钟信号增强电路以及0V产生电路。以时钟信号增强电路,加快电荷的转移速率,实现电荷泵快速升压;0V产生电路实现高压模块与低压模块的有效隔离,在编程模式下起到电路保护作用。基于CMOS工艺,在全局等效负载条件下进行仿真实验,结果表明改进后的电荷泵输出达到稳定的时间比原电路缩短了57.6%。实际流片后,电路功能测试正常。

反熔丝FPGA器件应用失效分析

反熔丝器件具有低功耗、高可靠、抗辐照性能优良等特点,作为航天领域广泛使用的核心芯片,其失效机理尤为重要。针对某型反熔丝器件板级应用失效问题,列出故障树,对疑点逐一排查,配合后仿真波形,最终定位了故障原因,并进行了失效机理分析。故障发生原因与开发软件版本等因素相关,使用者往往不了解软件版本的更新细节,该因素通常不易被设计者重视。针对该失效问题提出了解决措施,选取样品重新进行烧写测试。经过实测验证,故障现象消失,改进措施有效。

纳米改性Al-Zn-Mg-Cu合金电弧熔丝增材成形工艺及组织和性能

采用电弧熔丝增材制造技术(WAAM)对纳米改性Al-Zn-Mg-Cu合金进行成形试验,分析了焊接电流、焊接速度、沉积路径、层间等待时间对成形性能的影响.结果表明,在焊接电流190 A、焊接速度350 mm/min、往复沉积、层间等待时间为90 s时合金具有良好的成形性能.对制备的直壁墙体进行了沉积后热处理,对不同状态合金的组织和性能进行了研究.沉积态及热处理态合金显微组织均具有优异的各向同性,由细小的、无明显取向的等轴晶组成.T6处理显著提高了沉积态合金的硬度及力学性能,T6处理后平均硬度为178.3 HV,较沉积态提升61%,沿横向抗拉强度(Rm)、屈服强度(R_(eL))与断后伸长率(A)分别为469.7(±5.1)MPa,366.3(±1.4)MPa与6.4(±0.4)%,沿纵向抗拉强度(Rm)、屈服强度(R_(eL))与断后伸长率(A)分别为454.3(±18.8)MPa,364.7(±16.7)MPa与5.9(±0.5)%,具有良好的力学性能各向同性.

镍夹层添加对激光熔丝增材制造钛/钢金属复合材料界面组织与性能影响研究

针对钛/钢复合材料增材制造过程中易形成脆性Ti-Fe金属间化合物、恶化界面性能的问题。选择镍(ERNi-1)作为夹层,采用激光熔丝增材制造技术实现了TC4/309L复合材料的一体化制备。重点分析了Ni夹层添加对于界面组织与性能的影响,结果表明:添加Ni夹层的钛/钢复合材料的界面主要由Fe/Ni界面和Ti/Ni界面组成。其中,对于Fe/Ni界面Fe和Ni形成了无限固溶体,且未发现明显的裂纹和气孔等缺陷,实现了良好的冶金结合;在Ti/Ni界面中含有TiFe、TiNi_(3)、TiNi、Ti_(2)Ni等多种脆性金属间化合物,界面最大硬度达到670.1 HV。界面结合强度的微区拉伸试验显示,其结合强度为30.5 MPa,断裂于Ti/Ni界面位置,呈脆性断裂特征。

层间强制冷却对电弧熔丝增材制造钛合金温度场和流场的影响

电弧熔丝增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)工艺具有设备成本低、制造效率高等优势,广泛应用于航空航天、舰船、武器装备等制造领域,但沉积过程中的热积累容易导致结构成形效率、成形精度及成形质量下降。而层间强制冷却可以有效控制材料的沉积形貌和性能。采用数值模拟方法研究了不同冷却条件下电弧熔丝增材制造钛合金的熔池温度场和流场,分析了层间强制冷却对增材钛合金熔池的影响。结果表明,层间强制冷却可以有效降低熔池的预热温度,缓解材料沉积过程中的热量积累,降低熔池流体流动速度,从而限制流体的流动范围,影响熔池尺寸成形。

电编程熔丝的冗余备份及修正设计策略

由于工艺、制造和环境等原因,电编程熔丝(eFUSE)存储的数据信息可能发生意外改变,需要通过专门设计对数据进行冗余备份或对失效数据位进行修正,前者是对2个互为冗余的数据位进行相同编程操作,多用于eFUSE的现场编程;后者对失效数据位的修正大多采用的是串行冗余修正模式,但由于其存在延时随失效位数目增加的问题,一种以同步方式修正失效数据位的并行解决策略被提出并实现验证。

利用不同波形振动加工的熔丝成型制品表面质量研究

熔丝成型(fused filament fabrication,简称FFF)是目前应用最广泛的增材制造技术之一,能够制造几乎任意几何形状的实体模型。然而,逐层累加的制造工艺使得FFF制品的表面质量存在明显的局限性,为此提出利用不同波形振动改善FFF制品表面质量的方法。完成了振动式FFF设备的改装,并制备了利用不同形式的振动(正弦波、方形波和三角波)加工的制品样件。利用激光显微镜完成了FFF样件表面粗糙度的实验研究,确定了不同振动波形对表面粗糙度的影响规律。基于结合颈成型过程,建立了利用不同波形振动加工的FFF制品表面粗糙度理论模型。通过对比分析理论与实验结果,验证了所建模型的正确性,阐明了利用不同波形振动改善FFF制品表面质量的机理。

金属材料电弧熔丝增材制造研究现状与质量改进方法

电弧熔丝增材制造(WAAM)是一种增材制造技术,近年来在工业上有很大的发展潜力。总结目前WAAM的研究现状和面临的挑战,并提出质量改进的方法。综述WAAM在表面质量、成形精度、显微组织、力学性能、残余应力和变形、孔隙及其他缺陷等方面的研究现状。从前处理、在线处理和后处理3个方面总结消除缺陷、改善显微组织和提高力学性能的方法。WAAM的广泛应用仍然存在许多挑战,可能需要从多个角度出发来实现WAAM的工业化应用。路径规划和切片算法的开发、在线监测系统与现有WAAM设备的结合、后处理技术的复合等将是未来的重点研究方向。

铝合金电弧熔丝增材制造的冶金缺陷研究现状与展望

电弧熔丝增材制造(WAAM)已成为装备制造领域的重要发展方向之一,通过电弧加热熔化金属丝材,可在预设路径上逐层叠加堆积完成三维实体金属构件的增材制造成形,具有效率高且成本低的优点,尤其适合大尺寸铝合金构件的一体化增材制造成形。但由于铝合金固有的冶金行为特征,电弧熔丝增材制造中易出现冶金缺陷,如气孔、裂纹等问题,较大程度限制了产品力学性能的进一步提升,也严重制约了铝合金电弧熔丝增材制造技术的高效高质量发展。本文主要综述了电弧熔丝增材制造铝合金的气孔、裂纹等冶金缺陷问题,总结了缺陷形成机理、影响因素和抑制措施等方面的研究进展,并对铝合金电弧熔丝增材制造技术的未来发展方向进行了展望。

反熔丝的研究与应用

综述了ONO(氧化物-氮化物-氧化物)反熔丝、非晶硅(a-Si)反熔丝和栅氧化层反熔丝的制作工艺、性能参数及其优缺点,介绍了反熔丝器件包括反熔丝可编程只读存储器(PROM)和反熔丝现场可编程门阵列(FPGA)在器件应用、存储容量、可用门数、工作电压和抗辐射性能等方面的研究进展,指出了反熔丝以及反熔丝器件的4个主要发展趋势,即工艺兼容、高密度、有机/柔性和新材料。

固溶处理对CMT电弧熔丝增材Inconel 625合金组织与性能调控

对冷金属过渡(CMT)的电弧熔丝增材方法制备的Inconel 625合金试样进行不同温度的固溶处理.研究了固溶处理对所制备的Inconel 625合金的微观组织和力学性能的影响规律.结果表明,沉积态主要为沿沉积方向生长的柱状枝晶,基体组织主要为γ奥氏体相,在晶粒内和晶界上呈块状或链状分布着大量第二相Laves相以及微小MC颗粒.固溶温度低于1000℃时,Laves相和碳化物溶解缓慢,此时固溶处理对合金组织性能的影响较小;当固溶处理温度增加至1200℃时,第二相碳化物溶解,晶粒剧烈长大,并出现大量孪晶界,合金的硬度和抗拉强度有一定程度下降,屈服强度显著下降,断后伸长率显著提升.创新点:(1)研究了热处理工艺对CMT电弧熔丝增材Inconel 625合金组织与性能的影响.(2)阐明CMT电弧熔丝制备Inconel 625合金经过不同温度固溶处理的组织演变规律.

电子束重熔对熔丝沉积钛合金表面组织及性能的影响

目的通过表面重熔处理解决沉积钛合金固有组织引起的表面磨损不均及摩擦不稳定的难题,以拓宽沉积钛合金的应用领域。方法采用电子束重熔工艺对熔丝沉积Ti6Al4V钛合金表面进行改性处理。利用体式显微镜、光学显微镜、X射线衍射仪等分析重熔前后钛合金表层的宏观形貌、显微组织及物相组成变化,运用纳米压痕仪及摩擦磨损试验机考察重熔层的表面纳米力学性能及耐磨性能,并采用三维光学轮廓仪及扫描电子显微镜观察磨损形貌特征。结果经电子束重熔处理后,熔丝沉积钛合金沉积方向表面组织由不均匀的α+β组成的网篮组织及魏氏组织转变为均匀分布的细针状马氏体(α’)。重熔处理试样表面纳米硬度均匀,且得到明显提升,达3.8 GPa,相较于未重熔试样提高了15%以上,表现出较高的硬弹性。重熔层具有稳定的摩擦系数和较优的耐磨性,其平均摩擦系数为0.45,磨损率为3.59×10^(-13)mm^(3)/(N·m),相较于未重熔试样,分别降低了19.6%和22.1%,其磨损机理以磨粒磨损、氧化磨损及粘着磨损为主。结论电子束重熔工艺能够有效改善熔丝沉积钛合金沉积方向的表面组织均匀性,可获得优异的表面力学性能及摩擦性能。

一种适用于反熔丝FPGA的高效电荷泵电路

基于Dickson电荷泵结构,提出了一种适用于反熔丝现场可编程门阵列(FPGA)的新型高效电荷泵电路,实现了电荷泵的快速启动。通过采用时钟信号升压电路,减少了电荷泵级数,并减小了电路总体面积和功耗。仿真结果显示,在2.5 V的工作电压和整体电路全负载的条件下,整体电路的启动时间约为20μs,可稳定输出电压5.46 V,工作电流约为618μA。采用0.18μm CMOS工艺流片并对其进行编程和测试,结果显示FPGA电路编程成功,功能正确,与仿真结果一致,表明了此电荷泵结构的可行性和实用性。