热处理工艺对SLM打印波纹管耐撞性影响

为了获得稳定的轴对称变形模式和较好的耐撞性,设计轴向轮廓为正弦曲线的薄壁锥形波纹管。采用SLM制备AlSi10Mg合金试样和波纹管,并进行拉伸实验和波纹管轴向压溃实验,采用实验和数值仿真研究退火、固溶和T6热处理对波纹管轴向压缩下耐撞性的影响。研究结果表明:265℃退火热处理后,波纹管在静压下出现裂纹失效,与未热处理相比,AlSi10Mg合金试样经T6热处理后伸长率由4.7%提升至13.8%,拉伸强度由413.2 MPa降低至135.3 MPa。波纹管压溃力波动范围随伸长率增加而减小。经265℃、2 h退火处理后,波纹管峰值力达到最大为7.11 kN,压溃力波动幅值最大,压溃力效率为65.9%。经T6热处理后,波纹管峰值力降到最小,为4.75 kN,压溃力波动为所有波纹管中最小,吸能量最少,为279.12 J。与T6热处理相比,经295℃、3 h退火热处理后,波纹管平均压溃力达到5.09 kN,提升了16%,吸能量达到最大,为341.24 J,提升了18.5%。为了提升SLM打印的波纹管耐撞击性能,热处理工艺需要在保证伸长率的同时尽量提高材料强度。

基于医学CT与SLM技术的踝关节骨骼逆向建模与制备

基于医学CT与3D打印技术实现了骨骼重建与制造。通过对病人踝关节骨骼原始CT数据的采集,运用医学逆向工程软件Mimics及Geomagic软件对骨骼分别进行三维模型重建和骨骼曲面修复、优化,得到了骨面较为光滑平整的踝关节模型。通过对骨骼模型进行静力学分析,说明在人体结构生物力学条件下,所建立的踝关节三维模型满足力学要求。通过实验获得了TC4钛合金激光选区熔化(SLM)技术的优化工艺参数为激光功率240 W,扫描速度800 mm/s,扫描间距为0.12 mm,铺粉厚度为0.05 mm。采用该工艺参数和所建立的踝关节模型,实现了TC4钛合金踝关节3D打印逆向制造,所得制品的形状与组织成分优,满足医学使用要求。

滚抛磨块材质对SLM成型316L不锈钢表面滚磨光整效果影响的实验研究

为了深入研究不同材质滚抛磨块对选择性激光熔化(selective laser melting, SLM)成型316L不锈钢表面滚磨光整效果的影响,选用氧化铝、白陶瓷和棕刚玉3种滚抛磨块进行滚磨光整加工,研究不同材质滚抛磨块对SLM成型316L不锈钢在水平面和垂直面上的表面粗糙度、材料去除率、显微硬度及物相组成的影响。结果表明:棕刚玉磨块的加工效率最高,能显著降低水平面及垂直面的表面粗糙度,其中水平面的表面粗糙度下降率达到68.69%,垂直面的表面粗糙度下降率达到87.53%,并能提高材料去除率、增强显微硬度与残余压应力;相比之下,白陶瓷磨块在保持表面完整性的同时,可有效去除SLM成型缺陷,满足特殊表面需求;氧化铝磨块加工效果位于二者之间。

选择性激光熔化成形(SLM)增材制造重熔次数对316L构件表面粗糙度及磨损性能的影响

重熔次数对选择性激光熔化增材制造构件表面粗糙度及耐磨性能有重要影响,研究其影响机理及确定经济重熔次数对发展选择性激光熔化增材制造技术具有重要意义。采用选择性激光熔化增材制造设备制备316L样件,在样件制备过程中分组进行0、1、2、3次激光重熔,对不同激光重熔次数下的样件表面利用三维轮廓扫描仪、扫描电子显微镜等进行表征,利用高速往复摩擦磨损试验机对样件进行摩擦磨损试验,利用电子分析天平测定磨损前后的质量,对表征及磨损性能进行分析。结果表明:SLM增材制造样件表面粗糙度随重熔次数的增加而逐渐减小,重熔后的平均表面粗糙度Sa、Sq、Sv、Sz值分别从0次重熔(正常打印)的8.437、11.88、82.68、252.2μm降低到三次重熔的6.18、7.735、37.597、104.36μm,分别降低26.75%、34.89%、54.53%、58.62%;随重熔次数的增加,平均摩擦因数逐渐增大,质量磨损量逐步减小;2、3次重熔样件在磨损试验的后半段瞬时最大摩擦因数出现了大于1的情况,这是由于在明显滑动之前出现“接点增长”,接点面积不断增大,致使摩擦力超过正压力。表面粗糙度及摩损性能出现上述变化的原因是,每次重熔会使表面吸附的粉末颗粒及熔接痕进一步融化融陷,直至消失,相邻熔道搭接处的“峰谷”现象得到抑制,孔隙和球化等缺陷逐渐被修复,表面变得更加平整。研究发现不同重熔次数对表面粗糙度和磨损改变的程度不同;定义了经济重熔次数概念,1、2、3次重熔次数对表面粗糙度和摩擦磨损性能综合改变率分别为ζ_(1)=26.61%、ζ_(2)=43.60%、ζ_(3)=23.68%,确定了经济重熔次数为2;根据研究成果,给出经济重熔次数在矿山机械上的应用实例。提出经济重熔次数概念,并给出经济重熔次数的应用实例,可为提高增材制造构件表面质量和耐磨性能提供新思路。

粉末粒径分布对SLM-GH3536合金熔池形态的影响

激光粉末床增材制造过程通常采用离散元法和计算流体力学相结合的方式对熔融过程进行仿真分析。离散元生成粉末床的质量一定程度上依赖于试验测量的粒度分布数据,通常采用离散的试验测量结果来建立粉末床,不利于对粉末分布形式进行推广。本文针对GH3536合金粉末的激光选区熔化(selective laser melting,SLM)成形过程进行热流耦合仿真,建立了单层单道扫描的三维热流耦合模型。以均匀分布的粉末床为基准,对比了试验测量的离散分布以及近似的对数正态分布粉末床对应的熔池形态差异以及成形效果。结果表明虽然近似的对数正态分布粉末床整体的熔池形貌不如试验分布,但是从外观上看过渡更加均匀,而且仅需要均值和方差信息就可以确定粉末分布形式,这说明近似的概率分布形式虽然与实际情况存在一定差异,但是便于建模和参数分析。此外,本文通过调整激光功率和扫描速度的组合,分析了不同参数组合下熔池轨迹的变化规律。结果表明在能量输入接近的条件下,较低的激光功率和扫描速度具有更好的成形效果。本研究对激光选区熔化成形GH3536合金的仿真建模以及制粉过程有一定的指导作用。

基于SLM成形多孔支架力学性能研究及下颌骨假体设计

组织工程骨是修复大节段骨缺损的重要方法,但如何设计力学性能与宿主骨相匹配的假体仍有待研究。因此,本研究的目的是基于激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术探索多孔支架的力学性能,并应用于下颌骨重建。首先,建立不同孔隙率(50%~80%)的六面体(Hexahedral,HE)、八面体(Octahedral,OC)、体心立方(Body Centred Cubic,BCC)单元结构的多孔支架模型,通过有限元模型分析支架的力学性能。其次,利用SLM成形技术制备力学性能强的多孔Ti6Al4V支架,结合压缩试验评估支架的力学性能。最后,利用最小二乘法拟合支架的孔隙率-弹性模量曲线,从而获得力学性能与下颌骨缺损区域相匹配的多孔假体。结果表明,多孔支架的峰值应力随着孔隙率的上升而上升,且与构型密切相关(BCC>OC>HE);压缩试验证明了不同孔隙率的支架的弹性模量存在显著差异性,且孔隙率与弹性模量成反比。根据六面体单元的Gibson-Ashby模型,计算得到理想的假体的孔隙率为53.1%,并且有限元分析验证了假体的安全性。通过有限元分析和压缩试验证实了不同孔隙率的支架力学性能存在差异,合适孔隙率的假体能够更好地匹配宿主骨的力学性能,为植入物设计提供一定的参考价值。

工艺参数对SLM成型GH4169合金微观组织和残余应力的影响

在增材制造中,成型工艺参数是影响高温合金微观组织和性能的重要因素。针对GH4169合金,设计了基于激光功率、扫描速度、扫描间距等变量的15组工艺参数,采用选区激光熔化技术(SLM)制备了相应的合金试样,研究了不同工艺参数对试样致密度、微观形貌和残余应力的影响。利用JMP软件建立了工艺参数对试样致密度影响的数学模型,并确定了主要的影响因素。结果表明,扫描速度对致密度的影响最大,其次是激光功率和扫描间距。成型试样的致密度均在99.40%以上,最大可达到99.98%。当激光功率为222 W或扫描速度为1 190 mm/s时,更容易产生未熔合缺陷。当激光功率为403 W或扫描速度为573 mm/s时,由于局部温度过高和反冲压力的升高,容易产生气孔、匙孔等缺陷。试样表面的残余拉应力随着激光功率的增加和扫描速度的降低而增大,残余拉应力的最大值为853 MPa。

热处理温度对SLM成形316L不锈钢组织性能影响研究

使用选区激光熔化(SLM)技术制备316L不锈钢试样以及残余应力样件,采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM,配备电子背散射衍射探头EBSD)、显微硬度计等研究不同热处理工艺对SLM成形316L的显微组织、显微硬度、力学性能以及残余应力的影响,得到最优热处理工艺。结果表明SLM制备制件组织致密,在最优热处理1000℃、保温2 h制度下,试样的性能稳定,显微硬度及拉伸性能各向异性差异小,残余应力小。此研究为SLM成形316L不锈钢的力学性能优化及显微组织调控提供了强有力的基础。

SLM成形件切削比能模型建立及影响因素分析

选区激光熔融(SLM)成形件在通过后处理加工提升表面质量时会消耗大量能量,而通过优化切削比能可以提高材料去除率和降低切削力,进而减小加工过程中的能量消耗。因此以SLM Inconel 718成形件为研究对象,建立基于切削力的切削比能模型。结合微铣削正交实验,拟合得到SLM Inconel 718微铣削切削比能与铣削参数的经验公式,并研究不同铣削参数对切削比能的影响规律。结果表明,SLM Inconel 718切削比能经验公式拟合程度在95%以上,切削深度对切削比能影响很小,切削比能随主轴转速和每齿进给量的增加而增加。

铝合金叶轮SLM成型摆放及支撑方案仿真与实验

为减少选区激光熔化成型试错次数并高效打印某铝合金潜水泵叶轮,使用ANSYS软件模拟不同摆放和支撑设计方案下叶轮SLM成型过程中的应力、变形和刮刀碰撞。通过对比确定叶轮正置为最优的设计方案,并进行了SLM成型。试制叶轮外表无裂纹和明显变形,内部无大孔隙。对叶轮进行激光扫描偏差分析,发现平均偏差为0.106mm。退火后,试棒抗拉强度可达257~264 MPa,断后伸长率为11%~12%。可见,叶轮SLM成型过程仿真可为同类结构铝合金零件SLM成型摆放与支撑设计提供有益参考。

基于SLM-RBF的配电网分布式光伏集群智能划分策略

分布式电源大规模分散接入给配电网的优化调度带来计算上的维数灾难,需要对分布式电源进行集群以降低调控难度,因此合理的集群划分十分重要.同时,配电网实时量测数据不全造成分布式电源进行实时集群划分难度大、时间效率低,因此提出一种智能局部移动(SLM)算法与径向基神经网络相结合的分布式电源集群智能划分策略.首先,选取有功和无功功率调节范围以及有功和无功功率-电压的灵敏度作为集群划分的指标,构造相似度矩阵并基于SLM形成分布式电源的集群划分方案库.然后,离线建立电压拟合模型,拟合可实时观测节点的功率与电压之间的关系;同时,离线建立电压-划分结果模型,在线通过电压得到实时划分结果,创新性地解决了潮流模型缺失时无法进行集群划分的问题,提高了集群划分的实时性.最后,在MATLAB平台通过仿真计算验证了算法的合理性和优越性.

长薄U形结构钛合金SLM制件的控形仿真与性能验证研究

为优化大尺寸钛合金薄壁类激光选区熔化制件的加工方案、提高零件合格率,通过基于前处理工艺设计软件与模拟仿真软件平台,对具有长薄U形典型结构特征的钛合金试件进行了成形方案优化,并验证了仿真迭代结果的可行性。结果表明:试件在成形过程中的变形趋势主要集中在立筋与长臂结构边缘处,通过添加点阵支撑的方式达到了零件控形的目的,其三维扫描外形测量结果均在合格范围内。综合性能测试结果显示,试件XY向和Z向的强度极限分别可达1029.5MPa、1026.2MPa,断后伸长率平均分别为12.1%和11.2%,接近各向同性,而XY向和Z向的室温冲击测试结果平均分别为31.4J和48.6J,表现出明显的各向异性。

热处理工艺对SLM打印成形CoCrMoW显微结构和力学性能的影响

CoCrMoW合金是烤瓷牙金属基底和可拆卸活动支架的理想材料。针对SLM成形CoCrMoW合金的热处理工艺,尤其是较长的时效时间导致的生产效率过低,以及热处理后SLM成形件尺寸一致性和翘曲变形程度等问题,对热处理后的合金性能进行了研究。以气雾化CoCrMoW合金粉末(粒度15—53μm)为原材料,采用SLM方法打印CoCrMoW合金试样,并将其分别在920、960和1000℃下进行热处理并保温1 h,随炉冷却至600℃后取出。采用SEM、EDS和拉伸测试等方法,研究热处理工艺对SLM打印态CoCrMoW合金的显微结构及力学性能的影响。结果表明:热处理后合金基体的晶内、晶界均析出了第二相颗粒,在温度920和960℃下析出相颗粒分布均匀且密集,而在温度1000℃下晶内部分析出相溶解;随着热处理温度的提高,析出相明显生长得更加粗大。根据EDS成分分析,判断析出相为金属间化合物Co_(3)(Mo,W)_(2)Si。不同热处理条件下,试样的力学性能有明显差异,并且与析出相的分布、数量、尺寸密切相关。当在920℃下进行热处理时,密集细小的析出相对基体的强化效果最为显著,表现为最高的屈服强度(1134 MPa)、最低的塑性(延伸率7%),断口为脆性倾向的准解理断裂。随着热处理温度升高,析出相发生了粗化且部分溶解,试样的强度逐渐下降,而塑性逐渐提升。在1000℃下进行热处理时,合金的力学性能恢复至接近打印态水平,屈服强度892 MPa、延伸率14.8%,断口为韧性倾向的准解理断裂,此时合金兼具高强度和高塑韧性。此外,较高的热处理温度可以更有效地释放残余应力,减小翘曲变形,经1000℃热处理后的试样形变量最小(0.13 mm)。热处理条件对SLM成形CoCrMoW合金的性能和形变控制至关重要,可以根据不同应用需求进行选择。

热处理对SLM制备钛合金散热结构组织性能的影响

TC4是一种典型的α+β型双相钛合金,其具有良好成形和焊接性,被广泛应用于航空航天领域。利用金相显微镜、维氏硬度计、X射线衍射仪等设备对激光增材(SLM)制备的TC4钛合金散热结构件热处理前后的显微组织、硬度及相组成进行了试验与分析。结果表明:采用退火工艺时,随着退火温度升高,结构件内部组织发生显著的粗化现象,多数α'相转变为α+β相。其中,退火温度为1050℃时,结构件近内孔和远离内孔的硬度分别为667 HV和690 HV。而920℃固溶处理后,结构件合金主要由α'+β相的亚稳态组织构成,结构件近内孔和远离内孔区域的硬度分别为424.8 HV和469.62 HV。经过固溶+时效热处理,结构件合金的亚稳态组织将分解,形成弥散分布的α+β相,此时结构件近内孔和远离内孔区域的硬度均显著降低,分别为371.27 HV和382.64 HV。

SLM工艺参数对316L不锈钢成形零件微观形貌的影响

激光选区熔化技术(selective laser melting,SLM)是一种以粉末为原材料的金属增材制造技术,通过对激光选区熔化技术制备316L不锈钢零件的成形工艺参数(激光功率、打印速度)进行变更,研究不同参数对316L不锈钢SLM成形零件材料组织形貌及微观结构的影响,优化316L不锈钢SLM成形工艺参数,保证316L不锈钢的致密成形。采用扫描电子显微镜(SEM)、光学金相显微镜(OM)等测试方法为激光选区熔化成形316L不锈钢提供合理参数与方法。结果表明:SLM成形316L不锈钢试样组织主要由奥氏体组成;当激光功率较大时,不锈钢内部有极大概率会出现未熔化的颗粒;当激光功率为290 W,打印速度为800 mm/s时,试样内部组织较为致密,为最佳的打印工艺参数。

SLM成形多层多道金属薄壁件温度场有限元模拟

针对高强铝合金A17075选区激光熔化(selective laser melting,SLM)过程中未知的熔池变化规律和层间作用影响产品成形效率和精度的问题,研究不同工艺参数(激光功率和扫描速度)对各成形层熔池形态和温度场的影响。利用有限元分析软件ANSYS建立金属薄壁件SLM成形的多层多道温度场有限元模型,同时,利用APDL(ansys parametric design language)语言编程模拟了激光热源的加载、激光功率与扫描速度,采用“单元生死”技术描述金属粉末材料的动态增长过程,得出瞬态温度场的分布状况。结果表明,激光功率与扫描速度各自影响不同的温度场因素,适合Al7075粉末的SLM工艺参数为功率250~300 W,速度800~1000 mm/s。本文得到了激光功率和扫描速度的合理范围,为高强铝合金SLM实际实验提供理论参考。

可见光监测与CT检测融合驱动的高温合金SLM成形孔隙演变研究

孔隙缺陷对SLM成形件的性能与可靠性有重大影响,现有孔隙演变研究主要从成形过程监测与成形结果分析两方面分离进行。本文提出一种成形过程监测与成形结果检测融合驱动的SLM孔隙随层厚演变研究新方法,获取GH4169合金SLM成形凝固的可见光监测图像与SLM成形件的CT检测图像,选取特定区域孔隙并提取特征参数,表征并分析两种图像中孔隙特征参数随层厚的变化。结果表明,CT图像孔隙特征参数随层厚变化较可见光图像有滞后;孔隙形成的前半部分,第N+1层的成形对第N(或及以下)层孔隙具有缩小作用,后半部分具有扩大作用;第N+1层的成形具有减小第N(或及以下)层孔隙圆度的作用。结论有待进一步验证,但为SLM成形缺陷随层厚演变的研究提供了一种新思路,后续将继续深入研究。

冲击载荷下SLM 18Ni300的组织演变及绝热剪切行为

为了研究高速冲击载荷下激光选区熔化成形的18Ni300马氏体时效钢的组织演变以及绝热剪切行为,采用分离式霍普金森压杆技术对SLM 18Ni300马氏体时效钢进行了室温下不同冲击载荷的冲击实验。结果表明,SLM 18Ni300马氏体时效钢在冲击过程中横截面的微观金相组织为椭球编织结构;随冲击载荷增加,横截面的晶粒尺寸先增大再缓慢减小;纵截面晶粒组织由半弧状熔池结构逐渐变成平缓的曲线结构,晶粒尺寸随冲击载荷的增加而减小,且变化的幅度小于横截面晶粒尺寸的变化幅度;当冲击载荷为0.7 MPa时,有绝热剪切带形成并出现分叉现象,孔洞在剪切带中形核、长大、合并扩展形成裂纹,最终引起绝热剪切带的失效。

选择性激光熔化(SLM)成形纯钨的微观组织与力学性能研究

目的研究选择性激光熔化(SLM)技术制备的成形钨的微观组织和力学性能。方法采用纯钨粉末作为原材料,利用SLM技术制备了高密度的纯钨试样,系统研究其孔隙与裂纹的形成机理。同时,利用光学显微镜、显微维氏硬度计和压缩实验等分析手段,分别沿水平面(x-y)和垂直平面(z-x)对其微观组织与力学性能进行分析,探究SLM成形纯钨的各向异性。结果成功制备了相对密度为97.79%的高致密纯钨试样,在水平面上,组织主要为呈长条形的柱状晶,在垂直平面上,组织为粗大的胞状晶,断口形貌表现为典型的宏观脆性断裂特征。在水平面上,试样具有更高的抗压强度(1100 MPa)和显微硬度(427±5)HV。结论孔隙的形成主要与Marangoni效应有关,而裂纹的产生主要取决于材料本身的特性和SLM工艺参数。组织的各向异性导致2个平面的力学性能有一定差异。

SLM打印Ti6Al4V不同晶格结构多孔材料的力学性能

通过SLM加工制造了以立方晶格为单元的空心立方、G7、BCC多孔Ti6Al4V材料,其弹性模量均在人体自然骨范围内,对多孔材料分别进行了静态压缩和拉伸实验,研究了其抗压、抗拉性能,结果表明,BCC结构相对于其他两种结构表现出更好的抗压和抗拉强度。由于多孔植入物工作负载的复杂性,对这三种不同晶格结构的多孔材料施加交变载荷,发现由倾斜支柱作为支撑的G7结构疲劳失效速率缓慢,在动态压缩加载下表现得相对其他两个更好。在疲劳失效的分析中发现SLM多孔材料的疲劳裂纹源主要发生在材料内部的孔隙附近。