WE43镁合金SLM成形数值模拟及试验验证

目的研究WE43镁合金激光选区熔化(SLM)成形过程、成形后变形及应力分布的变化规律,得到SLM态WE43常温拉伸力学模型。方法采用SLM方法制备了WE43镁合金悬臂梁及拉伸试样,通过对比悬臂梁局部切割翘曲试验结果与数值模拟结果,得到WE43镁合金固有应变模型,实现WE43镁合金SLM成形过程的模拟及变形预测;对SLM态WE43镁合金开展拉伸试验,使用金相显微镜及扫描电镜进行微观组织及断口形貌观察;采用Normalized Cockcroft&Latham模型对拉伸试验进行模拟,实现SLM态WE43常温拉伸过程分析。结论常温SLM态WE43的抗拉强度为313 MPa,屈服强度为236 MPa,延伸率为7.6%,试样中存在不规则孔洞缺陷;在SLM成形过程中,WE43镁合金固有应变值exx、eyy、ezz分别为−0.0025、−0.0025、−0.0115,悬臂梁最大翘曲高度为1.99 mm,模拟结果显示未切割悬臂梁最大等效应力为12.3 MPa;当NC&L断裂准则临界损伤值为0.1时,WE43常温拉伸过程模拟结果与试验结果最为接近,预测准确率为93%。

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%。

圆振荡激光束提高激光弯曲成形效率

激光弯曲成形技术常用的激光类型是点激光,在温度梯度机理的作用下单次成形角度有上限,在3°左右。为了增大点激光单次成形角度,提高成形效率,本文以不锈钢304板为对象,通过试验对比探索了将圆振荡模式应用于激光弯曲成形中以提高弯曲角方法的可行性;并且借助于三维视觉传感器测量板件在圆振荡激光束弯曲成形过程中的动态响应,从余热效应、吸收率等角度分析其弯曲成形机理。对比试验结果显示,在激光能量密度较高的情况下,圆振荡模式确实可以明显提高工件的弯曲角,增长率在60%左右。同时,三维视觉传感器的测量结果显示出了板件在成形过程中的复杂形变与角度变化过程:板件在长度与宽度方向上均产生了塑性变形,长宽形变比约为10∶1;单次扫描成形板件弯曲角增长过程呈现不同的增长曲线;多次扫描成形弯曲角分布不均衡。此外,板件厚度也逐渐增加,热影响区微观晶粒得到细化。为进一步理解圆振荡激光束弯曲成形过程与机理提供了试验支撑。

小熔池激光沉积制造薄壁件沉积宽度的模型预测及试验研究

将激光沉积制造的热物理过程与薄壁件的几何特性相结合,基于层间沉积过程中的能量守恒关系建立了可以适配于小熔池激光沉积制造薄壁件沉积宽度的预测模型。该模型详细阐述了沉积宽度与激光功率、扫描速度与送粉速率之间的关系。利用Ti–6Al–4V(TC4)粉末沉积制备了多组样品来进行预测模型的验证,结果表明,该模型可以准确地预测不同工艺参数下薄壁件的沉积宽度,提高了试验参数匹配的准确性与效率,并为小熔池激光沉积制造工艺成形精度控制奠定了理论基础。

生物水凝胶激光加工工艺及体外生物相容性研究

针对生物水凝胶增材制造无法实现精细结构打印的问题,采用激光加工对SA水凝胶和GelMA水凝胶进行实验,通过激光切割、激光雕刻等探究了激光加工生物水凝胶的机制及各参数对激光加工效果的影响,通过细胞增殖实验分析HUVECs细胞在激光加工的水凝胶上的生长情况。实验表明,激光功率、进给速度等参数对于激光加工水凝胶的深度和表面质量有较大影响,细胞能够在激光加工的水凝胶上正常增殖,这可为生物医学相关应用提供有益的指导。

基于CCD的激光熔覆熔池平滑度在线监测系统研究

由于激光熔覆过程高温高亮,无法实时准确判断熔覆效果。使用CCD相机结合平滑度监测算法,对不同功率下的熔池形貌进行监测,验证算法性能,判断熔覆效果,同时尝试叶片修复。结果表明:激光功率过大或者扫描速度过慢,均会导致熔池边缘平滑度较差,进而认为熔覆参数不合适;为防止熔坏基材,可根据监测效果及时停机;发现激光功率与熔池边缘平滑度呈负相关。

安钢冷轧1550 mm连退炉内张力控制与分析

结合安钢冷轧连退机组实际工艺流程,以安钢冷轧1 550 mm连退机组退火炉为研究平台,分析与研究了其炉内带钢张力,这对于薄带钢高速运行低张控制优化具有一定指导意义,可实现冷轧连退薄带钢高效化生产。

增材制造TiB/Ti复合材料网状组织形成与力学性能

采用快速凝固技术将TiB直接植入基体钛合金,形成一种新型超细网状结构钛基复合材料(titanium matrix composites,TMCs)粉体,并采用激光增材制造技术,制备出一种等轴网状和柱状网状组织交替分布的新型钛基复合材料,系统分析和讨论增材制造TMCs超常凝固网状组织形成机制与力学特性。研究发现:增材制造TiB/Ti复合材料网状组织(约9μm)主要由原位自生纳米TiB晶须组成,呈现B27和Bf两种晶体结构;B元素的直接引入,易于在凝固界面形成成分过冷,不仅促使交替形成等轴网状组织和柱状网状结构,也同步细化基体晶粒尺寸,实现基体合金片层α相的等轴化。经原位力学观察分析发现,增材制造形成的原位自生纳米TiB网状组织结构,不仅能够抑制裂纹偏转并钝化裂纹,还将大量滑移迹线聚集于网络结构内部,并在晶界诱发高密度位错,限制材料的塑性变形,大幅度提高了复合材料的强度,增材制造TiB/Ti复合材料抗拉强度提高42%,伸长率保持在约10%。

基于选区激光熔化镍基单晶高温合金的修复

选区激光熔化技术光斑和热影响区小,成形精度高,可对镍基单晶高温合金叶片进行有效的修复以延长使用寿命。本工作选用了一种具有中等体积分数γ′相的合金粉末,研究了在单晶CM247LC基板上进行外延生长过程中该合金粉末的显微组织演变规律以及力学性能。结果表明:修复界面的熔池宽深比大于4时,沉积区与基体能形成良好的结合界面以及较小的晶粒取向差。通过增大扫描速率和降低激光功率可以有效减小沉积区裂纹密度,沉积组织以沿沉积方向生长的柱状枝晶为主,沉积层越高,冷却速率越小,枝晶间距和晶粒取向差越大。通过打印参数优化,最终得到了裂纹密度低、晶粒取向单一、且与单晶基板结合优异的镍基单晶高温合金沉积层,其抗拉强度为1094 MPa,伸长率为21%。

激光熔化沉积Al-Mg-Sc-Zr合金单熔道成形质量预测

本研究探讨了激光熔化沉积(LMD)工艺参数对Al-Mg-Sc-Zr合金单熔道成形质量的影响,并采用BP神经网络模型和改进的PSO-BP神经网络模型预测了不同工艺参数下的成形孔隙率。结果表明:Al-Mg-Sc-Zr合金的LMD单熔道成形孔隙率,随着激光线能量密度的增加呈现先上升后下降再上升的趋势,在175 J/mm^(2)时孔隙率达到最小值,仅为1.38%。在相同的送粉工艺参数下,LMD成形熔道宽度和熔道深度均与激光功率呈现出正相关性,而熔道高度和熔道深度均与扫描速率呈现出负相关性。相较于BP神经网络模型,改进的PSO-BP神经网络模型的平均绝对误差降低了29.69%,平均相对误差降低了19.42%,均方误差降低了19.02%,相关系数提升了63.44%。

飞秒激光表面织构化对CFRP/2060铝锂合金高速激光连接接头剪切性能的影响

激光表面织构化作为提高异质结构接头剪切性能的有效手段,已广泛应用于碳纤维增强复合材料(CFRP)与金属材料激光连接领域中。采用波长515 nm的飞秒激光在2060铝锂合金表面制备微结构,采用能量密度分布均匀的矩形光斑实现CFRP和2060铝锂合金异质接头的高速光纤激光连接,探讨飞秒激光刻蚀深度、扫描线间距对异质结构接头剪切强度的影响规律。结果表明,通过飞秒激光织构化处理,异质接头剪切强度得到了大幅提升,接头破坏形式均为界面断裂和基体断裂的混合断裂模式。在激光功率5 kW、焊接速度高达3.6 m/min条件下,接头平均剪切强度可达35.7 MPa,是未经飞秒激光织构化接头的2.3倍。

X射线超快成像原位表征激光增材制造过程研究进展

在增材制造过程中,熔池经历快速熔化、冷却、凝固的过程,其物理、化学、结构和应力等处于极端非平衡状态,容易导致孔隙、裂纹等缺陷产生,影响制件力学性能。同步辐射X射线具有高空间分辨率和时间分辨率,可以实现增材制造过程中熔池动力学和缺陷演化的原位表征。本文综述了近年来激光增材制造原位实验平台的搭建,并从熔池结构演化、缺陷形成机理和成形工艺优化三个方面介绍了同步辐射X射线原位表征激光增材制造过程的研究进展。最后基于目前增材制造原位观察的局限性,从表征系统改进、原料多样化和计算修正等方面对未来研究进行了展望。

基于能效的机械零件激光熔覆工艺参数优化

为降低激光熔覆工艺的能量消耗、减少加工时间,本文提出一种基于能效的激光熔覆工艺参数优化方法。以比能耗作为激光熔覆能效的衡量标准,通过分析激光熔覆各子系统的能耗特性,建立激光熔覆能耗模型。在此基础上,计算系统总能耗与成型体积间的比能耗,构建以比能耗和加工时间为优化目标的激光熔覆工艺参数多目标优化模型并采用NSGA-Ⅱ算法进行求解。通过对环形薄壁件进行激光熔覆试验,验证了比能耗模型的准确性,并证明优化后的工艺参数能有效提升激光熔覆的能效,减少加工时间。

选区激光熔化6511SS/GH3536多材料界面特性和力学性能研究

目的考虑不同材料对应的最优工艺参数的差异,研究材料的沉积顺序对多材料界面特性的影响,获得界面无明显缺陷、力学性能良好的多材料部件。方法采用SLM制备6511不锈钢/GH3536高温合金/6511不锈钢多材料试样,研究材料的沉积顺序对界面特性的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)、X射线衍射(XRD)观察界面微观结构和元素分布情况。通过显微硬度和拉伸实验表征界面的力学性能。结果采用SLM制备的多材料试样的界面无明显缺陷,表明6511不锈钢(6511SS)和GH3536高温合金具有良好的冶金结合特性。由于6511SS与GH3536的最优工艺参数存在差异,GH3536/6511SS的界面扩散区(480μm)宽于6511SS/GH3536的界面扩散区(330μm)。6511SS/GH3536扩散区的硬度介于6511SS与GH3536之间,而GH35636/6511SS扩散区的硬度小于6511SS和GH3536的硬度。拉伸实验结果表明,多材料试样在GH3536高温合金处断裂,其极限拉伸强度与GH3536高温合金相当,多材料试样的断裂伸长率低于GH3536高温合金试样的断裂伸长率。结论证明了采用SLM制备6511不锈钢和GH3536高温合金多材料零件的可行性,揭示了沉积顺序对界面微观结构和力学性能的影响,可为SLM制造多材料零件提供指导和参考。

铜合金表面激光制备Ni60-WC-Cu涂层的显微组织与摩擦磨损性能

激光熔覆涂层是解决铜合金零件因摩擦磨损导致失效的一种方法,但铜合金由于其对激光能量的高反射性、高导热性,使得在铜合金表面进行激光制备涂层成为一个难题。本文在白铜基体表面制备了不同WC含量的Ni60-WC-Cu复合涂层,对涂层相结构、微观形貌和显微硬度进行分析,并通过摩擦磨损试验,研究了涂层的耐磨性及磨损机理。结果表明:涂层中的相主要为NiW,其峰值随着WC含量的增加而增大;WC含量在20%与25%时观察到熔覆区出现大量的胞晶、枝晶组织,涂层顶部出现团聚状硬质相;涂层硬度均高于基体,WC含量为25%涂层的平均硬度为908.4HV;涂层耐磨性优于铜合金基体,随着WC含量增加,涂层耐磨性逐渐提高并均优于基体,氧化磨损、疲劳磨损和磨粒磨损;WC含量为25%时,涂层表现出最好的耐腐蚀性能;WC含量为20%时,表现出良好的导电率。

飞秒激光烧蚀齿面表层构态分析及其控制研究

为了分析飞秒激光烧蚀面齿轮齿面表层构成及其形态影响,本文针对面齿轮材料18Cr2Ni4WA,通过建立双温传热模型,模型采用向后有限差分法进行飞秒激光烧蚀数值模拟,研究飞秒激光烧蚀齿面的加工过程,分析能量密度对重铸层和热影响层的影响规律。结果显示:能量密度由1.73 J/cm^(2)增加至4.33 J/cm^(2),重铸层厚度从0.68μm增加到1.02μm,热影响层厚度从0.96μm增加到1.35μm。针对重铸层的控制,本文实施了对面齿轮齿面的二次加工,实验结果表明:采用能量密度1.73 J/cm^(2)对齿面进行二次加工,加工后的齿面几乎没有重铸物残留,齿面平均粗糙度由0.365μm降到了0.185μm,有效地改善了面齿轮的加工质量,为提高飞秒激光精微烧蚀面齿轮精度提供了有益参考。

激光选区熔化成形多孔支架的有限元分析及性能研究

人口的老龄化加剧了金属植入物的需求,广泛应用的实心支架由于“应力屏障”现象不能满足患者长期使用要求。本文通过对不同孔径及孔隙率的支架模型进行有限元数值模拟,分析得出孔隙率是影响力学性能的主要因素,随着孔隙率的增大弹性模量有明显的降低趋势。采用选择性激光熔化技术制备不同孔隙率的多孔支架,研究不同孔隙率的多孔特征及其性能,硬度测试结果显示,选择性激光熔化技术能够实现实心支架的均匀熔覆。当多孔支架的孔隙率在60%~84%时,其硬度均能满足人体骨骼的标准。热处理后,多孔支架的硬度有所提升,进而增强了其作为承重结构在人体植入部位的适用性。压缩试验的结果进一步显示,所制备的多孔不锈钢试样在受压过程中展现出了多孔材料的一些典型特性。经过对比,孔径为700μm且孔隙率为84%的支架,在综合力学性能上与人骨达到高度契合。

增材制造复杂流道水冷电机壳体对驱动电机持续功率影响的研究

目的提高量产铸造电机壳体的换热效率,确保电机在高功率持续工作状态下不会过热,从而提高电机的持续功率。方法基于增材思维对电机水冷壳体的流道进行优化,改变流道形状以增大流道表面积、消除流道涡流并减小流道与内壁的间距。通过仿真分析,不断优化迭代得到最佳的流道设计方案。运用选区激光熔化(SLM)增材技术及相应的后处理工艺,制造出复杂流道结构的电机壳体。结果采用SLM增材技术制造的AlSi10Mg铝合金壳体在x、xz、z 3个方向上的屈服强度均大于230 MPa,即使在较小壁厚的条件下,壳体强度仍满足设计要求。采用该壳体后,电机的持续功率从原量产电机的45 kW提升到50.7 kW,且仍能连续稳定运行45 min,同时电机温度未超过130℃。微观组织检测和工业CT测试结果显示,SLM电机壳体结构致密,未见气孔夹杂。该增材制造壳体的质量为6.95 kg,与量产电机壳体相比,减重约19%。结论通过增材制造技术设计制造的电机壳体整体性能良好,可以有效提高换热效率以及电机的持续功率,并实现了电机的减重。

深低温工作甚长波面阵红外探测器封装技术

基于甚长波红外探测器对低于液氮温度工作环境的需求,提出了一种深低温工作甚长波红外探测器封装技术。通过对杜瓦组件漏热和芯片电学引出结构的优化设计,可控制芯片在30 K低温工作时整个杜瓦组件的静态热耗为0.65 W,最冷端位置的静态热耗为0.3 W,与之适配的两级脉管制冷机冷量可以满足上述热耗需求。完成了探测器组件的封装测试。结果表明,在制冷机膨胀机热端空气冷却测试条件下,探测器芯片部分可达到35 K的温度;杜瓦的外轮廓小于Φ130 mm×180 mm。该项技术成果促进了深低温工作的甚长波面阵红外探测器封装技术的发展。

微晶玻璃超声辅助磨削制孔工艺参数对表面质量及出口崩边的影响研究

为研究微晶玻璃超声辅助磨削制孔过程中工艺参数对小孔内壁表面质量及出口崩边的影响,在超声振幅3μm、频率20 kHz条件下,采用有限元方法分析了加工过程中磨削力随着主轴转速、进给速度等工艺参数变化的规律。利用五轴加工机床分别开展了超声辅助磨削与普通磨削的加工试验,对比了工件表面粗糙度及出口崩边状况。结果表明:相同工艺参数下,超声辅助磨削相较于普通磨削,可显著减小磨削力,加工小孔的崩边尺寸更小,工件表面质量更好。