电子束选区熔化单轨道成型不平直的形成机制研究

电子束选区熔化(electron beam selective melting,EBM)技术因其具有能量利用率高、制造的零件强度高以及残余应力小等制造优势而发展迅速,但在成型过程中单轨道两侧出现的不平直会严重降低零件的加工质量和各种性能。采用离散单元法(discrete element method,DEM)建立三维介观粉末床模型,数值模拟了EBM熔化金属粉末的过程,并对不同工艺参数下单轨道成型的截面进行了详细对比分析,发现扫描速度、扫描功率以及粉末粒径对单轨道成型的不平直度影响较大,研究结果揭示了单轨道成型过程中两侧熔体产生凸出、凹陷和空隙等不平直特征的形成机制。

电子束选区熔化TaNbTiZr难熔高熵合金的微观组织与力学性能

难熔高熵合金(RHEAs)表现出优异的高温性能,在航空航天、核能等领域具有广泛应用前景。然而,由于难熔高熵合金(RHEAs)组成元素熔点高,因此常规加工制造方法制备难度大。本研究以等离子旋转电极雾化法(PREP)制备的高质量TaNbTiZr难熔高熵合金球形粉末为原料,通过电子束选区熔化(EBM)制备TaNbTiZr难熔高熵合金,利用正交实验研究了工艺参数对合金微观组织和力学性能的影响。结果表明:EBM样品的致密度随着线能量密度的增大呈先上升后下降的趋势,线能量密度为37.5 J/m的样品致密度最高,相对致密度达到98%。TaNbTiZr难熔高熵合金在XOY和XOZ面均呈细小的等轴晶结构,平均晶粒尺寸分别为6.32μm和6.93μm。晶粒内部由富含Nb、Ta的BCC1基体相和富Zr的BCC2网状边界组成。TaNbTiZr难熔高熵合金具有优异的力学性能,其屈服强度、抗拉强度、断裂伸长率分别为988 MPa、1173 MPa和3.99%。理论计算表明,该合金的高屈服强度主要源于高晶格畸变强化和高细晶强化效应。

H13模具钢电子束选区熔化热行为的模拟研究

为了提高H13模具钢在电子束选区熔化技术过程中成型件的表面质量,并探明其成型过程缺陷问题的原因,文章基于离散元法建立了随机分布的金属粉末床模型,对熔体的热流体动力学行为进行数值模拟。单道结果表明,当电子束功率从600 W提高到1 080 W,扫描速度为1.5 m/s时,单道熔池平均深度从15.2μm增加到49.2μm,单道熔池宽度从79.2μm增加到140.1μm,同时发现电子束功率为960 W,单熔道形貌表面质量最好。双道结果表明,Z型扫描路径会导致熔道的一端形貌粗糙,S型扫描路径熔道内易形成热量累积现象。当电子束能量较低时,会出现球化效应和单道不平直现象。当电子束能量较高时,熔道易出现热量累积现象,影响后续的熔道形貌和尺寸。

电子束选区熔化增材制造金属材料研究进展

电子束选区熔化增材制造技术具有高能量密度、低反射率、高效率、高致密和低残余应力的特点,在高真空氛围下成形可以防止金属材料被氧化,特别适合活泼、难熔和脆性大的高性能复杂金属材料零件的精密成形制造。然而,电子束增材制造金属材料往往面临工艺参数难调控,成形零件存在孔隙、裂纹缺陷以及低致密度、元素蒸发、力学性能不足等问题。因此,开展电子束增材制造工艺-成形性-组织-性能的关系及其内在机制的研究具有重要意义。本文对采用电子束选区熔化成形技术在制备合金钢、钛及高温合金、铝合金和高熵合金的工艺参数调控及优化、微观组织演变和力学性能进行了综述,最后对电子束增材金属材料的热点和发展方向进行了展望。

电子束选区熔化增材制造Ti-55531合金的凝固及相变行为研究

通过电子束选区熔化(EBM)技术制造了Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Zr(Ti-55531)合金,研究了打印过程中的凝固及相变行为。首先样品沿构筑方向形成了粗大的柱状晶,这是因为EBM过程中熔池凝固前沿较低的形核能垒,将导致晶粒的临界形核半径r*趋于0,无法生成等轴晶粒。同时凝固方式由平面凝固转为枝晶凝固,较低的等轴枝晶比例使得无法发生柱状晶向等轴晶的转变,在重熔区和定向热流的影响下,晶粒沿构筑方向发生跨层生长成柱状晶。并且沿构筑方向样品的微观组织呈现梯度结构,随着沉积高度的增加,片层初生αp的比例降低,宽度增加,而次生αs的比例升高,这是沿构筑方向的热量累积和基板加热的原位热处理共同作用的结果。

电子束选区熔化真空箱体有限元分析与结构优化

为了保证电子束选区熔化设备真空箱体具有可靠的力学强度和合理的弹性变形量,对电子束选区熔化真空箱体开展有限元分析,根据箱体抽真空前后的弹性变形量,对原有箱体结构进行优化,最终提高产品的稳定性和经济性。

电子束选区熔化精密落粉铺粉系统的研究

电子束选区熔化(Electron Beam Selective Melting,EBSM)是一种以高能量密度电子束作为加工热源,对金属粉末材料进行选择性熔化成形的先进增材制造技术,可实现复杂异形零件和复杂内流道结构零件的快速成形制造,在生物医疗和航空航天等领域有着广泛的应用前景。针对该技术工艺过程中落粉和铺粉两个关键步骤,设计了一套精密落粉铺粉系统,包括精密落粉系统、柔性铺粉系统等,并开展应用验证,结果表明:该系统在电子束选区熔化过程中具备可控精密落粉能力,落粉最小分辨率为5 g,落粉形态呈长条状,可覆盖最大打印范围;具有柔性铺粉能力,可避开成形区域附着的飞溅熔滴,提高铺粉精度。

电子束选区熔化过程中吹粉机理及因素分析综述

电子束选区熔化(SEBM)过程中,粉末颗粒在电子束作用下带负电引起库仑相互作用,易造成粉末散射,发生吹粉现象。此现象会导致电子枪放电、束流不稳定、粉末不均匀铺展等问题,继而造成工艺不稳定而加工停止。为扩大SEBM工艺适用范围,以电子束与粉末相互作用为基础,从粉末特性和工艺参数两方面分析了吹粉的形成机理及影响因素,根据降低粉末间静电力的方式总结了预防吹粉的措施,最后阐述了吹粉问题在SEBM基础研究方面的发展方向,以期为SEBM长期工作稳定性、可靠性的提高及质量提升提供参考。

电子束选区熔化成形M2高速钢组织和磨损性能的研究

M2高速钢是使用最广泛和最具代表性的工具钢。采用电子束选区熔化(selective electron beam melting,SEBM)增材制造技术成形M2高速钢能有效避免传统铸造组织粗大、碳化物偏析等问题,有望大幅改善高速钢力学、磨损等性能。通过使用不同扫描参数与2种粉床预热温度在316L不锈钢基板上制备了M2高速钢块体试样,重点研究了扫描参数和粉床预热温度对成形M2高速钢致密度及晶粒尺寸、碳化物等显微组织的影响。在最优化参数下,成形M2高速钢致密度达99.7%,平均晶粒尺寸在3~6μm,碳化物细小且分布较为均匀。通过维氏硬度试验和摩擦磨损试验分析了SEBM成形M2高速钢的硬度与磨损性能。结果表明,在最优化参数下成形的M2高速钢维氏硬度可达1034.2HV_(0.2),远高于商用M2高速钢刀具(815HV_(0.2)~845HV_(0.2)),同时磨损率仅有(3.58±0.36)×10^(-5)mm^(3)·N^(-1)·m^(-1),较回火态锻造母材降低了13.7%。此外,SEBM成形M2高速钢的磨损机制主要为磨粒磨损和粘着磨损。

热处理对电子束选区熔化成形Ti_(2)AlNb合金组织与性能的影响

采用电子束选区熔化(selective electron beam melting,SEBM)成形技术制备了高致密的Ti_(2)AlNb合金试样,并以此Ti_(2)AlNb合金试样为对象,系统研究了它在不同热处理制度下的显微组织及物相组成,并对其硬度、室温及650℃拉伸性能以及断口形貌进行了分析表征。结果表明,电子束选区熔化成形Ti_(2)AlNb合金热处理态试样的微观组织主要由B2基体相、晶粒尺寸较大的板条状初生O/α_(2)相和细小的次生针状O相组成,950℃固溶+700℃时效试样的次生针状O相和α_(2)相含量较高,950℃固溶+800℃时效试样的初生O/α_(2)板条更为粗大。700和800℃时效热处理制度下Ti_(2)AlNb合金试样的显微硬度值接近,为3190~3210 MPa。950℃固溶+700℃时效处理试样的室温和650℃抗拉强度最高,分别为(1068±12.22)MPa和(843±39.72)MPa;而950℃固溶+800℃时效处理试样的室温和650℃下的延伸率更高,分别为(7.30±0.58)%和(8.50±0.50)%。950℃固溶+700℃时效试样的室温拉伸断口观察到较大尺寸的裂纹,时效温度提高到800℃后,裂纹消失,高温拉伸断口呈现出韧性断裂特征。

电子束选区熔化过程基于背散射电子成像的在线监测系统研制

电子束选区熔化(Electron beam selective melting,EBSM)是一种先进的金属粉末床熔融增材制造技术,具有能量集中、能量利用率高、可以成形难熔及脆性材料、真空环境无污染等优点,在航空航天、生物医疗等领域被广泛应用。对电子束选区成形过程进行实时监测及调控可以提高产品质量,但真空、高温、强光、金属蒸气等环境使得实时监测难度非常大。针对上述难点,设计了一套基于背散射电子成像的在线监测系统,该系统采用S型点扫描的偏转扫描方式和接收面积更大的背散射电子信号采集传感器极板,采用中值滤波算法去除椒盐噪声提高图像信噪比,并对图像进行增强处理,在EBSM过程中具备实时清晰地观察加工表面形貌信息的能力,监测范围可达150 mm×150 mm,图像分辨率可达1000像素×1000像素,成像速度可达1帧/s。

电子束选区熔化TC4合金固溶时效后组织及力学性能研究

研究了不同工艺参数的固溶时效处理对电子束选区熔化的TC4合金微观组织及力学性能的影响。结果表明,热处理前的试样组织内含有众多大小和取向不一致的条状α晶粒交叉排列,它们与少量的β晶粒共同组成网篮结构。经固溶时效热处理后,α相尺寸增大,固溶温度到达960℃时,组织由网篮组织转变为片层组织。随着固溶温度的升高,TC4合金的强度增加而塑性降低;TC4合金经过930℃固溶处理后并在不同温度时效时,随着时效温度的增加,马氏体α’相的分解的细小的次生α相不断被周围初生α相合并,使TC4合金的组织发生粗化长大,合金强度先增加后降低,塑性增加;并在550℃处理时抗拉强度达到最大的1144.5 MPa,伸长率达到8.7%。

电子束选区熔化增材制造多点同步测温系统

针对电子束选区熔化增材制造过程中扫描速度及温度变化快的特点,设计了一种多点同步测温系统。选取K型热电偶、PIC18F26K80单片机设计了温度采集模块,通过ADM2587E构建了多个温度采集模块与上位机之间的RS-485通信网络,采用LabVIEW软件设计了上位机软件。基于模块化设计、独立单片机A/D转换、RS-485组网和上位机广播命令等技术实现了多点同步温度采集,同步采集误差不高于0.28 μs。试验测试表明,该系统能够实现9点同步测温,满足电子束增材制造过程中多点、高速、同步采集的要求。

成形方向及添加支撑对电子束选区熔化成形TC4合金组织与拉伸性能的影响

以TC4合金粉末为原料,利用电子束选区熔化技术成形TC4合金拉伸试样,研究了轴向和径向2种成形方向以及添加支撑对合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:无支撑径向成形合金存在等轴β晶及晶内针状α'相,形成魏氏集束组织和网篮组织,添加支撑后由粗大β柱状晶及两侧网篮组织组成;无支撑和添加支撑轴向成形合金上部分组织由初生α相和α'相组成,而下部分为等轴组织。添加支撑的径向成形合金的拉伸性能明显优于无支撑径向成形合金,其平均抗拉强度为1173.52 MPa,屈服强度为1155.69 MPa,断后伸长率达到15.57%,而添加支撑的轴向成形合金的拉伸性能与无支撑轴向成形合金相当,且均比径向成形合金差。

成型尺寸对电子束选区熔化成型TC4合金性能与组织的影响

采用电子束选区熔化制造技术制备不同成型尺寸的Ti-6Al-4V(TC4)钛合金试样,通过金相显微镜、扫描电镜、万能试验机和X射线衍射仪等研究设备,探究了不同成型尺寸对电子束选区熔化成型TC4钛合金试样的显微组织与力学性能的影响。结果表明:在R05、R06和R07这3种不同成型尺寸的试样中,成型尺寸越大,则拉伸强度和屈服强度越大,同时弹性模量和延伸率越小,即塑性越差;试样R05、R06和R07均发生韧窝断裂,但试样R05断口塑性较差,更接近脆性断裂;试样R07上下段分别形成双态组织和等轴组织,且距离打印基板位置越远,试样的层间结合率和粉末熔化率越低,即打印情况越差;对于成型尺寸最大的试样R05,由于其每层扫描时间长、热传递效果好,故其β柱状晶内形成了细针状马氏体和魏氏组织,而成型尺寸较小的R06试样则由于较高加工温度中的冷却,形成了网篮组织和片状α相组织。

AlSi10Mg合金电子束选区熔化成形工艺及组织成分研究

采用电子束选区熔化(electron beam selective melting,EBSM)成形技术制备AlSi10Mg试样,主要研究了工艺参数对AlSi10Mg合金成形形貌的影响及成形过程中合金成分的变化。结果表明,当电子束束流为4 mA,扫描速度为1000 mm/s时,可获得缺陷较少、组织均匀的AlSi10Mg合金件。在EBSM成形AlSi10Mg过程中,会出现Mg元素烧损现象,最终导致EBSM成形件Mg元素含量降低。

热处理工艺对电子束选区熔化Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织性能的影响

对电子束选区熔化Ti-48Al-2Cr-2Nb合金热处理后的组织演变和力学性能进行研究。结果表明:随着热处理温度的提高,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的细小双态组织和等轴γ条带组织逐渐发生粗化,并且向层片组织转变。当热处理工艺为1290℃/4 h、1315℃/1.5 h和1335℃/0.5 h时,合金的主要组织分别为双态组织、近层片组织和全层片组织。其中,等轴γ条带的平均宽度由沉积态的28.5μm分别增大至115.5、291.4、332.5μm。组织粗化使得纵向试样的平均抗拉强度由沉积态的698 MPa分别下降至541、461、390 MPa,延伸率无明显变化。此外,所有热处理工艺下横向试样的力学性能均优于纵向试样,这是由于粗化的等轴γ条带与基体中双态组织的界面结合强度较弱。随着热处理温度的升高,横向试样与纵向试样抗拉强度的差值逐渐增大,在1335℃/0.5 h时达到最大值102 MPa。

电子束选区熔化过程中基于背散射电子成像系统的优化

电子束选区熔化(Electron beam selective melting, EBSM)具有能量利用率高、真空环境无污染等优点,然而目前相关技术设备的成像清晰度和分辨率难以达到实际应用的需求。基于背散射电子成像原理,应用本课题组研制的EBSM过程中背散射电子成像系统,进行了背散射电子传感器极板个数及单极板面积的优化实验,确定了四极板大面积的背散射电子传感器。同时进行放大电路中滤波电容的优化实验,减小了滤波电容的容值,使高频扫描的成像形貌更清晰。解决了传统光学成像监测技术由强光、高温、金属蒸气造成的限制。最终得到的监测系统可以实现360 × 360 mm的大范围监测,1200 × 1200像素的高分辨率成像。

控温策略优化对电子束选区熔化成形TC4钛合金力学性能的影响

电子束选区熔化是一种真空条件下高温成形的粉床式增材制造技术,高温度场的控温策略对成形性能与制件组织力学性能均具有决定性影响。采用电子束选区熔化成形TC4钛合金试样,开发了以平均束流为判据的综合控温策略,实现了适应填充截面积变化的自主控温策略,并基于过程预热方法,开展了热量分配策略研究,分析其对力学性能的的影响。结果表明:无过程预热且平均束流较低时,TC4钛合金的抗拉强度为979—995 MPa,并且随平均束流增加呈先上升后下降的趋势;加入过程预热并和填充多重耦合后,提高了温度场的精确控制能力,从而提高了电子束3D打印产品的力学性能。

三维金属零件的电子束选区熔化成形

针对电子束选区熔化成形技术中金属粉末在高能电子束作用下容易溃散的特点,进行不同形状的316L不锈钢粉末的成形研究,得出既不溃散又具有较好成形性的粉末配比。针对成形过程中成形区域的温度场分布特点,提出成形件旋转法和多连通区域零件的薄层切割法,能较好地解决成形件第一条扫描线球化和成形区域不同部位所需温度不相同的问题,简化CAD模型的数据处理过程。在材料研究和工艺研究的基础上,制造出三维金属零件,层间为完全冶金结合,层内没有未熔颗粒和空洞,组织结构为均匀细小的蜂窝状枝晶组织,水平和垂直拉伸试样的极限强度和断后伸长率为600MPa、40/和560MPa、35/。