高温合金熔化焊的研究现状及发展趋势

综述了高温合金熔化焊的研究进展.对电弧焊、电子束焊和激光焊等常见高温合金熔化焊工艺技术的优势和应用范围进行了阐述;介绍了常见的焊接裂纹类型,并对凝固裂纹、晶界液化裂纹、应变时效裂纹和失塑裂纹的形成机理及影响因素进行了概括总结;此外,从热输入、材料的成分和微观结构以及焊接残余应力等方面探讨了提高熔化焊焊接性的主要技术方法.由于母材合金成分和组织结构与焊接性能密切相关,在未来的发展中,应加强对新兴高温合金和传统不可焊高温合金等的成分设计,此外,也应关注焊接工艺技术的完善以及焊前和焊后处理方法的改进,协同提高高温合金的焊接性能,促进高温合金熔化焊的广泛应用.

热处理对选区激光熔化Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能和腐蚀行为的影响

以Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr(质量分数,%)合金粉末为原料,在激光功率330 W和扫描速率700 mm/s下进行选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)形成SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金,结合慢应变速率拉伸实验、电化学测试、析氢浸泡实验及显微组织表征手段,分析了(350℃,8 h)热处理对SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能和腐蚀行为的影响。结果表明:SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能优异,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为423 MPa、376 MPa和25.1%。热处理后,SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金晶内析出大量针棒状纳米Al_(6)Mn相,抗拉强度和屈服强度分别提升至509 MPa和478 MPa。此外,SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金具有良好的耐蚀性能,热处理可以促进SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的钝化,在-0.5 V极化电位时出现钝化台阶,降低SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的电流密度,增加SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的阳极极化率,使SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的平均析氢速率从0.242 mL/(cm^(2)·h)降至0.216 mL/(cm^(2)·h),应力腐蚀敏感因子从3.379%降至0.405%。与此同时,热处理也促进了晶内微米富Si相以及晶界富Mn相和Mg相的析出,增加了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金点蚀形核位置,增大了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的晶界电化学成分非均匀性,降低了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的点蚀和晶间腐蚀抗力。

激光熔化沉积Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒尺寸预测及成形工艺优化

通过激光熔化沉积试验分析了工艺条件(送粉速度、扫描速度和激光功率)对Al-Mg-Sc-Zr合金晶粒尺寸的影响,构建了晶粒尺寸预测模型,优化了成形工艺参数,给出了工艺参数最佳区间。结果表明,相较于激光功率和扫描速度,送粉速度对晶粒尺寸的影响最为显著;随着成形能量密度的增加,合金晶粒尺寸呈现出先减小后增大的演变趋势;采用回归方程构建的晶粒尺寸-工艺参数关系模型能准确预测不同工艺条件下激光熔化沉积Al-Mg-Sc-Zr合金的平均晶粒尺寸,相对误差小于2%;通过响应面分析得到工艺参数最佳区间为:送粉速度2.8~3 g·min^(-1)、激光功率1000~1050 W、扫描速度4~5 mm·s^(-1)。

天然气铝熔炼炉内料堆熔化过程数值模拟与堆料高度优化研究

以天然气铝熔炼炉中铝料的熔化过程为研究对象,通过VOF模型捕捉气液界面,采用EnthalpyPorosity模型描述固液相变过程,对二维截面铝料熔化的非稳态过程进行数值模拟,研究铝料在熔化过程中的流动与传热行为,并对堆料方式单因素的影响进行分析。研究结果表明:在熔炼过程的前中期,熔化后的铝液累积在熔池烟气入口侧,导致已熔融铝液凝固;在铝料高度分别为2.94、2.64、2.34和2.04 m时,熔化速率随时间均呈现先减小后增大的规律;当料堆高度为2.64 m时,熔化时间最短,为3199 s,铝料平均温度最低,比基准工况下的平均温度低50 K,可以有效防止上层铝液过热,减少氧化造成的铸损。

不锈钢激光选区熔化单道成形表面介观模拟与实验验证

目的为了获得不锈钢激光选区熔化单道成形质量好的加工参数,提高成形质量。方法对于316L不锈钢材料的激光选区熔化(SLM)成形,采用离散元方法(DEM)构建颗粒随机分布的三维介观模型,采用流体体积法(VOF)动态追踪SLM成形过程熔池传热、流动和凝固等行为,该模拟考虑相变潜热、热物性参数随温度非线性变化、Marangoni效应,研究了温度梯度引起的表面张力和蒸汽反冲力等现象对熔池液态金属流动和凝固的影响,并对不同激光参数和扫描速度对熔池温度场和内部流动的影响规律进行了分析。结果当激光功率为150 W、扫描速度为400 mm/s时,激光能使不锈钢粉末充分熔化,凝固后的轨迹形貌连续光滑。通过提高激光扫描速度和降低激光功率使得热输入减小,熔道表面成形出现球化等缺陷。结论通过单道成形实验观察和分析熔池与熔道的三维尺寸与形貌,有效验证了数值模拟的正确性,较好地预测出SLM过程中的缺陷种类,为深入理解SLM过程中的复杂物理现象和优化工艺参数提供了参考。

铅银渣侧吹熔化-烟化脱硫影响

湿法炼锌产出的有害渣铅银渣长期堆存对环境造成污染,对铅银渣中的有价金属进行综合回收很有必要,在综合回收热酸浸出-黄钾铁矾法过程中产出的铅银渣采用侧吹炉熔化+烟化炉烟化工艺处理,该工艺的主要过程是锌浸出渣的熔化以及铅锌的还原挥发2个阶段,在熔化过程中铅银渣的物相结构会发生改变,被包裹的重金属离子得以释放,有价金属品位得以提高,降低熔化残渣含硫量,有利于金属挥发,因此对铅银渣进行脱硫预处理。本文通过Me-S-O体系优势区图确定了铅银渣脱硫试验研究的方向,考察脱硫过程中氮氧体积比、熔化脱硫时间、熔化脱硫温度三个因素对铅银渣脱硫率的影响。主要得到以下结论:熔化脱硫的最佳工艺条件是氮气气氛下、熔化脱硫时间为40 min、熔化脱硫温度为1250℃,该条件下的脱硫率为98.17%。该研究对综合回收铅银渣脱硫预处理过程具有现实意义。

超声滚压对激光选区熔化铝锂合金残余应力的影响模拟研究

研究了铝锂合金试样激光选区熔化残余应力分布以及超声滚压对其应力场的影响。先后建立了单道扫描模型、试样模型以及超声滚压模型;分析了单道扫描模型的温度历史,并将此温度历史扩展至试样的沉积层,最终通过热力耦合与显示动力学分析获得激光选区熔化和超声滚压后的残余应力分布。结果表明,激光选区熔化试样顶部与四周出现了较大的残余拉应力;在超声滚压作用下,试样表层产生了高频振荡的应力场,并产生了较大的瞬时应力;试样表面残余拉应力转化为压应力,随着深度增加,残余压应力先增大后逐渐减小并逐渐转变为拉应力,最终恢复至激光选区熔化后的应力状态;模拟预测的结果与试验结果吻合较好,具有合理的精度。

基于电弧声信号的窄间隙脉冲熔化极气体保护焊侧壁熔合状态在线识别

为在焊接过程中实时了解焊缝内部的焊接状况,构建了电弧声信号实时采集系统。在焊枪摆动中心处于不同位置的情况下,进行了电弧声信号特征与侧壁熔合状态的相关性分析。分别从时域与频域中提取了与侧壁熔合状态相关性较强的电弧声特征。为进一步提高熔合状态预测的有效性,采用电弧声特征参量构建了支持向量回归的侧壁熔合状态识别模型。为减小不良特征对识别模型的影响,显著提高模型的识别精度,采用遗传算法进行了参数寻优。参数寻优后模型的总体识别率达93.33%,实现了窄间隙侧壁熔合状态的有效识别。

热处理对选区激光熔化Co-Cr合金微观组织与力学性能的影响

热处理不仅可以消除激光增材制造材过程中的热应力,还可以调控材料组织结构和力学性能。本文研究了选区激光熔化Co-Cr合金微观组织在不同热处理条件下的变化及其相应的力学性能。研究发现,打印态下合金组织为γ奥氏体,基体中存在大量层错和亚晶界组织,以及少量四方σ-CoCr沉淀相;在1150℃下保温1 h,发生γ-ε转变,ε马氏体含量为10.4%(V/V),同时沉淀相由四方σ相转变为六方Co_(3)W(Mo)_(2)Si相;再经过800℃处理2 h后,马氏体含量进一步增加至15.5%(V/V),同时沉淀相数量增加且尺寸增大。热处理后的沉淀相对力学性能影响显著,材料的硬度从31 HRC提高至38 HRC,屈服强度从848 MPa提高至1119 MPa。本研究可以为研究激光选区熔化Co基合金组织与性能调控提供参考。

热处理对选区激光熔化GH4061合金组织和性能的影响

采用激光选区熔化成形技术制备了GH4061合金,研究了不同热处理工艺对合金组织和性能的影响。结果表明,沉积态合金的柱状晶穿过多个熔池外延生长,晶内由胞状亚晶结构组成。随着固溶温度的升高,晶粒取向逐渐偏向(101)和(111),晶粒长大;Laves相由长链状转变为颗粒状,1060℃固溶温度时基本溶解;δ相在晶界析出,由粗大块状转变为盘状,然后再转变为短棒状,1100℃热处理时无δ相析出;980℃、1020℃、1060℃、1100℃固溶温度时γ′和γ″相平均尺寸分别为23.53 nm、24.43 nm、25.34 nm和25.66 nm。热处理后合金的室温和650℃力学性能显著提高,其中980℃固溶时效热处理试样的室温和650℃抗拉强度分别达到1342 MPa和1120 MPa,随着固溶温度的升高,1020℃、1060℃、1100℃固溶温度时试样室温抗拉强度分别下降约6.4%、8.3%和10%,650℃抗拉强度分别下降约7.9%、8.8%和11%,塑性有所提高。

选区激光熔化过程熔池缺陷的形成机理研究

采用三维高保真计算流体动力学模型,研究了镍基高温合金GH4169在SLM过程中的熔池流动和缺陷形成过程,揭示了剥蚀和球化等缺陷的形成机理。结果表明,熔池的驱动力主要为马兰戈尼力和表面张力,马兰戈尼力促使熔池由内而外流动,而表面张力导致熔池由外向内流动。剥蚀现象一般出现在熔池附近,当剥蚀区域较小时,剥蚀呈周期性出现和消失。而当剥蚀区域较大时,少量的熔融液体无法填充大区域的剥蚀,导致表面质量退化。当熔池的长深比小于3.4时,在高温区(马兰戈尼力为主要驱动力)与低温区(表面张力为主要驱动力)的交界处更容易发生球化现象。研究成果有助于指导工艺优化提升选区激光熔化成形件的表面质量。

TiVNbTa高熵合金球形粉末制备及选区激光熔化成形

利用氢化脱氢、机械球磨、等离子体球化技术成功制备了TiVNbTa难熔高熵合金球形粉末,并采用选区激光熔化(SLM)技术将此球形粉末制备成TiVNbTa难熔高熵合金块体试样,研究不同SLM工艺参数对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:所制备的粉末球形度高、分散良好,平均粒度为48μm;SLM成形的TiVNbTa难熔高熵合金具有超细晶组织,其熔池心部为胞状晶区,熔池边缘为柱状晶区。随着激光功率的增加,合金的压缩屈服强度整体变化不大,但塑性应变呈下降趋势;然而,随着扫描速率的增加,合金的压缩屈服强度和塑性应变持续下降。当激光功率为175 W、扫描速率为400 mm/s时,沉积态合金具有最低的孔隙率,XOY面和YOZ面的孔隙率分别降低至0.26%和1.42%,压缩屈服强度σ_(0.2)为1001 MPa,最大抗压强度σ_(bc)为1741 MPa,塑性应变ε_(p)为10.0%。

激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能

研究激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术成形Al-Mg-Sc-Zr合金材料不同取向的显微组织特征、拉伸和损伤容限性能。结果表明:YZ截面为细小的等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织,XY截面由细小的等轴晶组成;0°和90°方向屈服强度、抗拉强度均超过500 MPa,各向异性较小,但堆积层间存在的未熔合缺陷使得90°方向断裂伸长率明显低于0°方向;0°和90°CT试样K_(IC)分别为21.41 MPa·m^(1/2)和20.89 MPa·m^(1/2),在柱状晶区域裂纹扩展阻抗低,导致90°CT试样K_(IC)稍小;显微组织和缺陷是影响裂纹扩展性能各向异性的主要因素,在近门槛区未熔合缺陷起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时裂纹扩展速率更快;在稳态扩展区显微组织的影响起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时为穿晶断裂,裂纹扩展阻抗较高,裂纹扩展速率较低。

AlSi10Mg选区激光熔化表面粗糙度预测、优化及表面形貌分析

目的选区激光熔化制造过程相当复杂,通过理论模型去研究表面粗糙度较为困难,因此采用数据驱动的方式进行研究是一种可行的方案。方法基于麻雀算法优化双向长短期记忆网络来预测表面粗糙度,并对比验证该模型的适用性。首先进行三因素四水平全因素试验,其次,以激光功率、扫描速度、扫描间距为输入,以粗糙度为输出,建立模型。然后,利用遗传算法优化预测模型,从而获得最佳工艺参数组合。最后,分析不同工艺参数下成形零件的表面形貌,探究各参数及其耦合关系对表面质量的影响。结果最佳工艺参数为扫描间距0.12 mm、扫描速度1800 mm/s、激光功率280 W,预测表面粗糙度为10.407μm,调整工艺参数进行实验,得到的样件的平均表面粗糙度为10.897μm,与预测值相比,误差仅为4.5%。工艺参数对表面形貌的影响从大到小的顺序为扫描速度、激光功率、扫描间距,各因素间存在耦合作用,且共同影响激光能量密度,能量密度过高、过低均会使表面形貌恶化。结论基于麻雀算法优化双向长短期记忆网络构建的数据驱动预测模型适用于粗糙度的预测与优化,能够实现对样件表面粗糙度的精准预测,可以指导实践,保证加工质量。

选区激光熔化成形铜合金研究进展

铜合金具有良好的导电导热性,是众多行业的基础材料,随着高新技术的迅速发展,许多行业对高性能、高精度、复杂结构铜合金零部件需求日益增大。传统工艺可制备常规铜合金零件,但对于一些复杂结构铜合金零部件的制备存在困难。首先,本文综述了选区激光熔化成形铜及铜合金的研究进展,系统介绍了目前选区激光熔化成形纯铜所遇到的难点及解决方法;然后,综述了目前选区激光熔化成形不同系列铜合金的研究现状,重点介绍了不同系列铜合金成形件微观组织和力学性能及热处理后成形件微观组织和力学性能变化;最后总结了选区激光熔化成形铜及铜合金存在的问题及未来的研究方向。

Cr_(3)C_(2)对激光选区熔化316L合金组织及力学性能的影响

目的研究添加Cr_(3)C_(2)颗粒对激光选区熔化316L合金的硬度、强度及耐磨性能的影响。方法采用激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制备316L合金及10%(质量分数)Cr_(3)C_(2)颗粒增强316L合金(Cr_(3)C_(2)/316L),通过X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、维氏显微硬度计、双立柱电子万能试验机和摩擦磨损试验机分别对2组合金试样的组织结构、硬度、拉伸性能以及耐磨性能进行测试与分析。结果316L合金主要由γ-Fe相组成,Cr_(3)C_(2)/316L合金中除γ-Fe相外,还存在Cr_(23)C_(6)和Cr_(3)C_(2)相。316L和Cr_(3)C_(2)/316L合金的显微组织均由柱状晶和等轴晶组成,Cr_(3)C_(2)/316L的组织中等轴晶比例增多,且组织产生了细化。Cr_(3)C_(2)/316L合金的显微硬度为327HV0.1,相比316L合金(265HV0.1)增加了23%。Cr_(3)C_(2)/316L合金的屈服强度和抗拉强度分别为687 MPa和1029 MPa,较316L合金均提高了约50%。Cr_(3)C_(2)/316L合金的磨损率相比316L合金减小了50%。结论在SLM过程中,由于添加的Cr_(3)C_(2)颗粒在激光选区熔化316L合金过程中所产生的非自发形核和提高过冷度的作用,促使了316L合金组织发生明显细化和等轴化。添加的Cr_(3)C_(2)颗粒所产生的细晶强化、沉淀强化和固溶强化作用,使316L合金的硬度、强度和耐磨性都得到有效提升。

基于激光选区熔化技术的金属悬垂圆孔结构无支撑成形工艺优化与质量研究

基于激光选区熔化(SLM)技术制造的随形冷却模具,凭借其优异的冷却性能,能够显著提高加工效率,有效降低生产成本,成为未来注塑成型模具的重要发展方向,但目前在使用SLM技术成形随形冷却模具内部的圆形流道方面仍存在诸多挑战。在SLM成形时,随形冷却模具内部圆形流道的结构主要表现为悬垂圆孔结构,若直接使用传统工艺策略成形悬垂圆孔结构易出现翘曲、粘粉等缺陷,同时由于随形冷却模具内部流道复杂的特点,其内部流道无法通过添加支撑辅助成形。采用在模具外侧添加支撑结构的方法,可调整模具成形角度,增强悬垂圆孔结构自支撑性,但会增加额外成形时间与成形材料,导致生产成本增高。优化悬垂圆孔结构无支撑成形工艺,实现在不添加支撑结构的前提下满足随形冷却模具对流道成形质量要求,能够有效降低随形冷却模具生产成本并获得高质量成型件。本文对金属悬垂圆孔结构成形工艺策略进行优化,以316L不锈钢悬垂圆孔结构为对象,分析了工艺策略、孔径对悬垂圆孔成形质量的影响。采用一种基于加工层角度自适应的下表面工艺区域划分策略,研究该工艺区策略对于无支撑金属悬垂圆孔成形的适用性,并使用该工艺制造冷却模具样件,对成件的成形质量进行分析。结果表明采用基于加工层角度自适应的下表面工艺区域划分策略可明显抑制成形过程中的翘曲行为。使用该工艺策略成形的随形水冷模具样件无明显质量缺陷,内部流道的表面质量与成形精度满足使用要求。

选区激光熔化AlSi10Mg蜂窝夹层管制备及其力学性能研究

目的研究SLM工艺参数对蜂窝夹层管残余应力、变形以及力学性能的影响。方法采用正交试验法研究了不同工艺参数对选区激光熔化成形零件残余应力和变形的影响。通过有限元模拟的方法,仿真AlSi10Mg蜂窝夹层管的3D打印过程,得到成形管件的残余应力分布及变形程度。制备蜂窝夹层管3D打印试样,将实心管作为对照组,对比测试管件在轴向压缩、径向压缩及三点弯曲条件下的力学性能。结果激光功率对残余应力和变形的影响最大。采用最优参数组合打印的管件微观形貌中不同熔池之间呈现出相互交错的结构,致密度达99.78%。轴向压缩中实心管的承载极限为497 MPa,蜂窝夹层管的最大承载极限为390 MPa。在径向压缩条件下,蜂窝夹层管承载能力是实心管的86.62%。在三点弯曲试验中蜂窝夹层管出现2次波峰,承载极限为52 MPa,与实心管的承载极限非常接近。结论确定最优参数组合为:激光功率200 W、扫描速度1200 mm/s、扫描间距100μm,蜂窝隔板厚度0.6 mm、蜂窝孔对边距离5 mm。相同尺寸的蜂窝夹层管相较于实心管质量可以降低22.68%,其力学性能降低并不明显。

激光熔化沉积过程缺陷识别方法

激光熔化沉积加工过程中的缺陷萌生是制约激光熔化沉积技术发展的关键性问题.实现对缺陷的精确自动识别是提高激光熔化沉积技术应用水平的重要途径.提出了熔池瞬态特征提取算法,分析了熔池瞬态特征对沉积层熔合不良缺陷的影响关系,建立了熔池瞬态特征数据集.对主流识别算法进行了模型训练测试,获取了相对最优模型ResNet 34.为解决ResNet 34训练损失拟合效果差、计算速度慢的问题,结合传统卷积网络和LSTM(long short-term memory)网络,建立了训练和测试精度高且计算速度快的LRCN 64模型,测试准确率达95.8%,实现了对熔合不良缺陷的识别,为实现沉积件在线无损检测提供了技术支撑.

基于Fluent的激光选区熔化设备风场流道仿真与结构优化

为减少激光选区熔化技术成形零件时产生的烟尘、黑渣和熔液飞溅等工艺副产物对产品质量的影响,设计一套均匀稳定的风场结构是解决此问题的有效手段。利用Fluent软件对激光选区熔化设备保护气体流道进行有限元仿真,通过优化风场流道结构、设计整流器等方法,对设备风场流道进行结构优化改进。结果表明,优化后的成形室风场分布均匀,湍流现象明显消减;风场流道下吹风口风速标准差由0.305 m/s降低至0.194 m/s,速度波动明显减小,分布更集中、稳定。