激光定向能量沉积DD405单晶高温合金的裂纹形成机制研究

采用激光定向能量沉积技术制备了第二代单晶高温合金DD405薄壁结构,通过试验和理论相结合的手段对单晶高温合金在激光定向能量沉积过程中的热裂纹形成机制进行分析和探究。结果表明,热裂纹的形成是由应力集中、液膜稳定性和碳化物析出相3个因素所决定的。由于激光定向能量沉积过程的逐层叠加,残余应力随着沉积高度递增,因此沉积区存在高水平的残余拉应力。沉积区的晶界处会出现显著的应力集中,液膜在两侧拉应力作用下发生撕裂导致裂纹萌生。液膜稳定性与相邻晶粒间的晶界角度密切相关,当大角晶界大于40°时,会在拉应力的驱动下形成热裂纹。MC型碳化物析出相通过“钉扎作用”抑制液相补缩及弱化与基体之间结合强度等作用进一步促进了热裂纹形成。

基于功率诊断的微波辅助点火能量沉积研究

基于功率诊断方法,研究了不同微波参数(脉冲波形和馈入延迟时间)下对微波辅助点火的增强效果,精确测量了点火过程中与火核耦合的微波能量,并分析了能量耦合的内在机制.结果表明:入射的部分微波能量以产生等离子体的形式耦合到点火火核中,耦合能量随微波脉冲功率的增大而提高,随延迟时间的增大而减小,最高耦合能量达到6.16 mJ;火核的增强效果与耦合能量的变化趋势一致,表明耦合的微波能量是点火增强的内在原因;能量耦合效率(耦合能量/入射能量)一般随脉宽和延迟时间增大而减小,最高耦合效率达到7.23%;并发现了微波能量耦合过程中存在从较低的效率转变到较高的稳定耦合效率的现象,将后者定义为饱和耦合模式;脉冲持续时间内到达饱和耦合模式的转变过程越短,能量耦合效率越高;饱和耦合模式下的能量耦合效率不受微波参数的影响,但高功率短脉宽的脉冲波形和低延迟时间能够更快达到饱和耦合模式,明显提高点火增强效果.

激光定向能量沉积Al-Mg-Sc-Zr修复5083-H112铝合金的组织和性能

激光定向能量沉积增材修复技术具有时间短、效率高、成本低、力学性能好等优点,具有很大的发展潜力。采用Al-7.5Mg-0.3Sc-0.28Zr作为修复材料对轨道交通用5083-H112铝合金进行激光修复实验,得到了致密、无缺陷的修复试样,并对其组织和性能进行研究,探讨了激光修复铝合金的可行性。结果表明,熔合线附近过渡区可划分为修复区、部分熔化区、热影响区和母材。修复区为完全等轴晶,由平均晶粒尺寸为4.95μm的细晶带和18.34μm的粗晶区组成。从修复区到部分熔化区再到热影响区的过渡区域,Al元素含量逐渐升高,Mg元素含量逐渐下降,硬度逐渐下降,修复后母材未被软化。由于激光增材制造技术的快速凝固,在熔合线附近的细晶带有较大的应力集中,由于较小的热输入在部分熔化区、热影响区的残余应力较小。修复试样的屈服强度为(152±2)MPa,为母材的89.4%;抗拉强度为(305±5)MPa,为母材抗拉强度的100%;伸长率为(15.5±0.5)%,为母材的85.2%;断裂发生在强度较弱的母材。高性能的激光修复铝合金是可实现的,具有广泛的应用前景。

激光惯性约束聚变堆包层能量沉积特性

参考国内外聚变堆技术,建立了一种200 MW激光惯性约束聚变堆包层概念设计,包层采用超临界二氧化碳和锂铅双冷结构。研究构建了瞬态和稳态耦合模型计算包层温度分布及变化。靶丸内爆反应使用MULTI-IFE进行计算,核热耦合部分基于蒙特卡罗程序OpenMC和自编程换热模型对包层模型结构、冷却和产氚进行计算。研究结果表明,核热耦合模型能够完成对包层的初步计算分析,周期性的瞬态载荷会引起第一壁面温度的振荡,但包层内部的温度最终会收敛到稳态计算结果。堆腔尺寸对于降低温度以及震荡效果明显,但仍需氙展平辐射功率峰。包层产氚和能量导出同时受到堆腔尺寸和增殖区的影响,在200 MW工况下,3 m半径和0.25 m增殖区尺寸计算结果最能满足需求。

径向湍性输运条件下CFETR平行热通量及包层能量沉积模拟

采用BOUT++输运程序与PFCFlux程序的耦合对CFETR包层第一壁上的能量沉积情况进行了模拟。研究发现,当湍性输运系数为50m^(2)·s^(-1)时,最外闭合磁面上的极向平均平行热通量为14058.5MW·m^(-2),进入刮削层的等离子体功率Psol的值为197.4MW;CFETR包层第一壁上的能量沉积主要集中于真空室壁靠近中心螺线管的高场侧区域,最大热通量出现在这一区域的中间部分。

基于激光模式调控的高强铝合金定向能量沉积成形工艺优化

由于7075铝合金主要组成元素的沸点较低、熔体的表面张力梯度较大,加之定向能量沉积(DED)工艺中常用的圆形高斯分布(CG)激光束斑能量分布的不均匀性,导致7075铝合金DED试样的成形质量普遍不佳,这极大限制了7075铝合金DED的进一步应用。通过激光光场模式调控,可以有效改变熔池的温度场、流场及其相应的凝固条件,从而提升激光增材制造试件的成形质量和微观组织的主动控制能力。采用离轴抛物积分镜将CG光场模式匀化为圆形平顶分布(CF)光场模式,并进一步将CF光场模式倾斜以获得横向椭圆平顶分布(TE)光场模式。利用这三种不同的光场模式激光分别制备了7075铝合金DED的单道熔覆、单壁墙及块体试样。结合数值模拟,揭示光场模式对成形质量及凝固组织的影响规律及其内在机理。模拟结果显示,将激光束斑从传统的CG光场模式调制为CF与TE光场模式后,激光在熔覆层表面的热通量均匀性得到显著改善,进而减小了熔体温度梯度,提高了凝固速率。与CG光场模式相比,成形质量方面,CF与TE光场模式下单壁墙和块体试样的表面成形质量得到显著提升,其中单壁墙的宽度变化大幅降低,块体试样水平方向的尺寸精度提高,此外块体试样的致密度分别从95.8%提升至97.2%与97.7%;凝固组织方面,织构得到显著弱化,并且晶粒尺寸减小约50%,同时晶粒内纳米析出相η相的数量也有所增加。

基于熔池热历史的陶瓷增强金属基复材激光定向能量沉积质量实时监测方法

针对激光定向能量沉积(L-DED)制备陶瓷增强金属基复合材料(CRMMC)过程中成形质量不稳定的问题,提出一种基于熔池热历史的CRMMC质量监测方法。为实现在CPU硬件上的实时监测,构建了单路结构的轻量级全深度可分离卷积神经网络模型(FD-Net)。输入9个不同激光能量制备不同状态的CRMMC成形质量,使用红外热像仪同步采集熔池红外图像作为数据集训练和测试FD-Net,并与当前先进的轻量级卷积神经网络(CNN)模型进行性能对比。结果表明:FD-Net在Inter-CPU上以7.90ms/帧的推理时间实现了高精度监测,显著低于其他CNN模型,证明所提方法可在工业微型计算机上实现CRMMC质量状态的实时监测。

外场辅助定向能量沉积钛合金研究进展

钛合金具有高强度、低密度与高断裂韧性等优异性能,已经广泛应用于航空航天、汽车工程与生物医学等领域。传统钛合金零件制造方法是通过铸造及后续机械加工的方式来获得最终产品,但传统方法难以加工结构复杂的钛合金零件,造成了材料的大量浪费。定向能量沉积为制造钛合金零件提供了一种更有效的加工路径,但该工艺仍然存在着若干问题,如粗大柱状晶、各种缺陷以及力学性能各向异性等。为改善上述问题,外场辅助被引入钛合金的定向能量沉积工艺中。本文主要介绍当前几种主流的外场(形变场、声场、磁场),总结和评述了外场辅助对定向能量沉积钛合金微观组织和力学性能的影响,并对外场辅助定向能量沉积钛合金的发展趋势进行展望。

激光粉末定向能量沉积AlCoCrFeNi高熵合金涂层的工艺、组织与力学性能

采用激光粉末定向能量沉积技术制备AlCoCrFeNi高熵合金涂层,研究了激光功率、扫描速率及搭接率等工艺参数对涂层成形特性、组织及力学性能的影响规律。研究结果表明,随着激光功率的增加,单道涂层的熔宽增大,而余高和熔深先增大后减小。随着扫描速率的增加,熔宽、余高和熔深均出现不同程度的降低。随着搭接率的升高,稀释现象逐渐减弱。搭接率为33%和50%的沉积层组织以等轴晶为主,而搭接率为67%的沉积层组织以枝晶为主。激光定向能量沉积的高G/R及二次退火效应造成了多道涂层存在亚晶结构。AlCoCrFeNi涂层大幅提升了Q235基材的表面硬度,硬度从167(HV)增加到500(HV)以上。搭接率为50%的涂层硬度最高,超过550(HV)。多道涂层的低稀释效应和独特的微观组织使其硬度明显高于单道涂层的硬度。为了兼顾成形效率和低稀释率,可选用激光功率为2200 W、送粉速率为10 mm/s和搭接率为50%的工艺条件制备AlCoCrFeNi高熵合金涂层。

基于边缘梯度搜索的激光定向能量沉积熔池尺寸提取方法

针对激光定向能量沉积过程中存在熔池弱边缘导致熔池宽度难以准确提取的问题,本工作基于熔池边缘灰度梯度变化差异,提出了一种基于边缘梯度搜索模型的熔池宽度提取方法。为了得到精确的熔池尺寸,首先基于数学形态学的方法对熔池图像进行预处理得到粗定位边缘,然后通过试验确定弱边缘梯度阈值,最后采用边缘梯度搜索模型对粗定位边缘进一步分割得到精分割边缘,使用椭圆拟合法进行边缘拟合得到熔池宽度,试验结果表明该方法具有良好的熔池宽度检测精度。

激光定向能量沉积Ti-6Al合金的组织与性能研究

激光定向能量沉积成形钛合金具有高效快速、材料利用率高等优势,但其较大的冷却速率及温度梯度等固有特性使得成形的钛合金容易出现各向异性,因此有必要对激光定向能量沉积钛合金不同平面及不同方向上的组织与性能进行研究。选定Ti-6Al合金作为研究对象,采用光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜和电子背散射衍射对激光定向能量沉积Ti-6Al合金物相、微观组织形貌和晶粒特征进行研究。结果表明,合金中只存在单一的α相,该物相为HCP结构;Ti-6Al合金不同成形高度表现出不同的微观组织特征,即沿着构建方向,底部为细小的等轴晶,中间为柱状晶,顶部为等轴晶/近等轴晶。在XOY面的平均晶粒尺寸最小,为22.2519μm;YOZ面存在最大的晶粒尺寸,为38.9408μm。在3个不同平面中,XOY面的小角度晶界体积分数最高,为19.5%;YOZ面小角度晶界体积分数最低,为12.2%。沿Z方向上,即与建造方向平行时抗拉强度最高,为669.94 MPa,相应的伸长率为13.9%;沿X方向上抗拉强度为560.55 MPa,其相应的伸长率最低,为11.4%。

激光定向能量沉积技术的研究现状与应用进展

激光定向能量沉积(LDED)技术作为一种前沿增材制造技术,在材料加工和产品制造领域展现出显著优势,综述了LDED技术的发展历程、基本原理、技术特点及其在多个工业领域的应用现状。LDED技术能够有效提升材料利用率、缩短制造周期,并实现复杂零件的直接制造,尤其在航空航天、汽车制造和医疗等领域具有广泛应用前景。通过仿真分析、在线监测和闭环控制策略,LDED技术进一步提高了成形精度和产品质量。随着LDED技术的成熟和优化,该技术有望在降低成本、提升性能以及推动制造业绿色转型方面发挥更大作用。

基于固溶强化的激光定向能量沉积TiZr基高熵合金成分设计与强塑性优化

目前,部分TiZr基高熵合金由于大量脆性相的析出,呈现出强塑性难以平衡的问题,阻碍了合金作为复杂构件材料的工程应用。利用激光定向能量沉积技术基于混合元素法及非平衡快速凝固特性,实现成分设计的独特优势。通过调整TiZr基高熵合金主元成分,实现了非等原子比Ti39Zr39Nb11Mo5.5V5.5的致密成形,并获得了无金属间化合物等脆性相析出的单相固溶体合金。合金呈现出优异的塑性变形能力,其压缩应变超过了50%,而50%应变率时的压缩应力达2194 MPa。进一步分析表明,固溶强化是合金呈现较高强度的关键,其对屈服强度的贡献超过了75%。

织构对激光定向能量沉积Ni_(50.8)Ti形状记忆合金超弹性的影响

NiTi形状记忆合金由于热弹性马氏体相变而表现出优异的超弹性和形状记忆效应,被广泛应用在医疗器械、航空航天等领域。采用激光定向能量沉积工艺制备Ni_(50.8)Ti形状记忆合金,通过室温压缩实验和循环压缩实验分析成形角度对合金超弹性及其稳定性的影响规律,借助X射线衍射分析、电子背散射衍射等表征手段分析不同成形角度合金的微观组织和织构特征,进而深入研究微观组织和织构对Ni_(50.8)Ti形状记忆合金超弹性及其稳定性的影响。结果表明:采用激光定向能量沉积制备的Ni_(50.8)Ti形状记忆合金由B2奥氏体相组成,基体成分均匀,无开裂现象。与Y轴呈90°的合金在室温下呈现出最佳的超弹性,0°的合金超弹性最差。同时,45°的合金呈现出强〈112〉织构,90°的合金呈现出强〈110〉织构,强织构合金的超弹性比弱织构(60°)和不利取向(0°)合金的超弹性更好,织构对于Ni_(50.8)Ti形状记忆合金的微观组织和超弹性具有显著的影响。

γ射线在氧化镓中的能量沉积仿真研究

氧化镓作为新型宽禁带半导体材料在核辐射探测领域具有可观的应用前景。研究的主要目的是分析氧化镓作为核辐射探测器材料的能量沉积性能。基于蒙特卡罗方法对γ射线在氧化镓中的能量沉积进行仿真,分析了不同因素(射线能量、辐射剂量、晶体厚度、横截面积、探测距离)对于能量沉积效果的影响。结果表明:氧化镓对98~185.7 keV范围内γ射线的吸收率大于50%,能满足对U^(235)燃料棒探测的基本需求。文章结果为氧化镓核辐射探测器的设计提供了理论支撑。

激光定向能量沉积承压设备鉴定方法研究

增材制造技术以其快速熔化、从下到上、层层堆叠的技术特点,在复杂异形结构与一体化成形等方面具备突出优势。该技术还具有成型效率快、材料利用率高等特点,在核能领域有着极大的发展潜力。但是,目前缺少增材制造成品鉴定方法,阻碍了其在各个领域的进一步应用。基于此,以某堆形回路干式过滤罐为对象,研究系统性的产品全流程鉴定方法,形成面向核能领域的增材制造鉴定流程。

水下激光填丝直接能量沉积法制备贫双相不锈钢2101的组织和织构演变

贫双相不锈钢2101(LDX 2101)是一种可以替代304奥氏体不锈钢的低镍不锈钢材料,以良好的经济性、力学性能和耐腐蚀性而被广泛研究,在核电工程中具有广泛的应用前景。针对核电工程水下维修技术背景,利用光学显微镜和电子背散射衍射等方法,研究了水下环境激光填丝直接能量沉积工艺制备的贫双相不锈钢2101的微观组织和织构演变。结果表明,水下环境对熔池的快速冷却作用抑制了铁素体向奥氏体的转变进程。由于铁素体的表面能最低,大多数铁素体是沿着密排堆积的(111)α和(110)α平面沉积的,沉积结构呈现典型的立方结构和高斯结构。尽管奥氏体的织构不如穿过沉积层的铁素体的织构强,但结果表明,奥氏体相相对于铁素体相形成了更紧密的Kurdjumov-Sachs取向关系。激光填丝直接能量沉积工艺的循环再加热效应不仅改变了贫双相不锈钢2101的组织和织构,还影响了晶粒尺寸和特殊晶界的比例。提高沉积结构中∑3晶界的含量和分布均匀性,有利于增强沉积层的耐蚀性。

氧含量对激光定向能量沉积Ti-6Al-4V钛合金组织和性能的影响

采用激光能量沉积法制备了TC4钛合金试样块,借助OM、SEM、电子探针定量分析、X射线衍射等方法,研究了不同氧含量对钛合金微观结构、相组成、氧气浓度及性能之间的相关性。结果表明,衍射峰的强度随着氧含量的增加而略有增加。而(002)衍射峰的强度明显在中氧环境下达到最大,随之减弱。材料的强度和硬度随着氧含量的增加分别提高115 MPa和58 HV,伸长率下降到8.71%,断面收缩率下降到6.6%。断裂失效机制随着氧含量的增加由韧性断裂转变为准解理与韧性断裂复合断裂。宏观组织主要为柱状晶粒和针状马氏体为主,热处理后主要是马氏体α'和β转组织。不同氧含量环境下形成的间隙固溶体,导致晶格常数增大,从将引起晶格膨胀。随着界面能量的增加,进而在晶界生成高密度位错现象,对钉扎起到进一步加强作用,使试样强度提高而塑性降低。

开放环境激光定向能量沉积Ti-6Al-4V的微观组织与力学性能

大型钛合金零部件的现场激光增材修复由于条件的限制,难以在气氛箱体内完成。基于光内送粉熔覆技术,分别在空气开放环境下的局部气氛保护装置与具有控水控氧功能的气氛箱体内进行Ti-6Al-4V激光定向能量沉积试验,比较了这两种成形环境中Ti-6Al-4V合金的微观组织与力学性能差异。结果表明,在开放环境中成形件的平均氧含量比气氛箱体内的成形件高。两类成形试样组织均主要为α+β双相网篮组织,气氛箱体内成形的试样有明显的β晶界,晶界旁有片层α相,而在开放环境中成形的试样晶内存在大量的α'相。开放式环境下更高的冷却速率与氧元素的摄入致使成形件强度提高和塑性降低。在气氛箱体内成形的试样拉伸断口为微孔聚集型断裂,在开放环境下成形的试样拉伸断口为穿晶断裂。

Z箍缩X射线入射材料的能量沉积研究

利用弯晶谱仪对Z箍缩X射线能谱进行了实验测量,给出了Al元素时间积分的K层辐射能谱。利用蒙特卡罗软件模拟了单能X射线及实验测得的Z箍缩X射线谱线在Al、碳纤维、Ti合金材料内沿入射方向的能量沉积分布。计算结果表明,Al-W混合负载中Al的质量分数升高会导致X射线能量衰减变快。