金属增材制造工艺、材料及成形机理的研究与应用

作为一种快速、精密、自由制造的关键成形工艺,3D打印在推动工业化和产业发展方面发挥了重要作用。通过介绍金属3D打印技术,主要围绕选择性激光、电化学和电子束增材制造技术等工艺原理和关键技术,深入探讨了增材制造技术制备金属材料零部件的特性及其应用,同时详细阐述了它们的成形机理并探讨了金属3D打印技术所面临的主要问题和挑战。最后,对金属增材制造技术领域未来的发展趋势和研究重点进行了展望。

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%。

面向增材制造产业材料研发与制造人才培养的探索与实践

随着增材制造产业的快速发展,结合现有材料专业的基础与特色,开设3D打印专业方向,为增材制造产业的材料研发和制造培养复合型、应用型和创新型人才,形成了“一目标、二重点、三结合”培养思路和教学措施,以课程体系、课程实施、实践与创新和师资队伍作为4个着力点,对增材制造人才培养进行了探索与实践。

增材制造材料铣削加工特性和表面完整性研究进展综述

激光熔覆等增材制造技术目前已被广泛应用,然而这类技术获得的熔覆层表面质量较差,难以满足零件的尺寸精度和表面质量等要求,铣削加工作为一种精加工方式可以有效地解决精度不足等问题。文章综述了不同铣削参数、切削方向、增材制造材料的处理方式、熔覆层的构筑方向等影响因素对加工特性和表面完整性的影响,加工特性通过切削力和刀具磨损表征,而表面完整性主要包括表面形貌(表面粗糙度、表面纹缺陷、毛刺形成等)和力学性能(残余应力和显微硬度),通过对不同影响因素下的熔覆层加工特性和表面完整性评价,使研究人员对增材制造材料的铣削性能具有更全面的了解,最后对增材制造材料铣削过程中存在的问题归纳梳理,并对其未来的发展方向进行了展望。

航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展

从航空航天领域对增材制造金属材料的需求出发,介绍了增材制造金属材料在航空航天领域的应用以及市场规模。评述了铁基合金、镍基合金、钛合金、铝合金等增材制造合金的微观组织和力学性能。总结了4种增材制造合金在航空航天领域关键零件中的典型应用实例。指出了航空航天领域用增材制造金属材料存在的问题及未来的研究方向。

增材制造铜/钢双金属材料研究进展

铜/钢双金属材料具有力学强度高、物理化学性能优良等优势,在交通运输、电力能源和建筑工业等领域应用前景广阔。然而,传统熔铸工艺在制造铜/钢双金属材料时,容易在铜/钢界面处产生偏析现象,在一定程度上限制了铜/钢双金属材料的发展。与传统工艺相比,增材制造技术不仅能实现复杂加工零件的快速制造,而且在成形过程中较短的保温时间能缓和或消除异种金属材料界面产生的冶金缺陷,进而增强铜/钢双金属材料的力学性能。由于双金属材料是近年来的研究热点,有关增材制造铜/钢双金属材料的综述性文章较少,故综述了近年来激光、电子束及电弧增材制造技术制造铜/钢双金属材料的研究发展现状,分析了各技术的优缺点,并从制备方法、工艺参数及界面合金元素等角度,分析了影响材料界面组织性能变化的关键因素。发现在增材制造铜/钢双金属材料方面,目前激光增材制造技术主要应用于精度要求较高的小尺寸零部件,电子束增材制造技术适用于某些具有特殊性能的合金,如钛合金,而电弧增材制造技术适用于精度要求较低的大型复杂零部件。在铜/钢双金属材料增材制造过程中,界面处易形成显微组织分布不均匀、界面晶粒尺寸差异较大等现象,导致界面处产生应力集中,从而造成材料断裂失效。为解决上述难题,学者们已深入研究第二相形成机理,并采用优化界面处Cu-Fe比例和控制脆相金属间化合物等方式提高铜/钢双金属材料的性能。最后,对目前增材制造铜/钢双金属材料的研究发展现状进行了总结与展望,未来在冶金学和热力学方向上对铜/钢双金属材料仍需进行系统性理论研究,对双金属材料而言需要建立相关模拟数据库,以期为相关从业人员提供精细化指导建议。新型增材制造技术或复合增材制造技术的开发与应用都将成为未来增材制造铜/钢双金属材料研究的重点发展方向。

镁基复合材料增材制造技术研究进展

镁基复合材料通过基体与增强体的协同配合,克服了传统镁合金绝对强度和刚度较低、承载能力较差的难题,而增材制造技术的强成形能力、高制备精度、短制备周期为定制复杂结构且组织均匀的镁基复合材料提供可能。因此,本文从镁基复合材料的组成出发,简单介绍传统制备方式后,归纳梳理了镁基复合材料增材制造技术的研究进展,总结不同制造过程中工艺参数对成形件组织和性能的影响规律,最后在分析所存在的问题和挑战的基础上,对镁基复合材料增材制造技术未来的研究方向进行聚焦和展望。

增材制造专用材料标准现状与体系研究

近年来随着增材制造技术相关产业的快速发展以及应用范围的不断扩大,增材制造面临的标准化问题日益突出。增材制造专用材料作为增材制造技术发展的重要物质基础和根本保证,开展相应的标准化工作并构建增材制造专用材料标准体系具有重要的指导意义。首先,充分分析国内外增材制造专用材料的发展概况、标准化工作现状,研究构建了由产品实现流程、产品分类和全产业链维度构成的三维增材制造专用材料标准体系框架,该框架覆盖了所有增材制造专用材料设计、生产、流通及服务过程的标准。然后,根据标准体系框架梳理现行标准的分布情况,并结合行业实际,从原材料标准、生产工艺和设备标准、测试方法与质量标准、监管与服务标准、特定应用标准等方面给出了增材制造专用材料标准体系的制修订建议,为增材制造专用材料标准化工作的开展奠定基础。

增材制造Ti基复合材料的研究进展

随着航空航天、汽车工业等领域的快速发展,Ti基复合材料(TMCs)因其高强度、低密度、高温耐久性和优异的耐磨性而受到广泛的关注,通过增材制造技术制备的Ti基复合材料有着广泛的应用前景。在Ti基材料中添加合适的强化相可改变复合材料的微观结构和性能。介绍了几种常用的增材制造方法及其特点,包括选区激光熔化(SLM)、激光金属沉积技术(LMD)、电子束熔化技术(EBM)和激光近净成形技术(LENS),综述了通过原位反应生成和直接添加强化相对Ti基复合材料的影响,为进一步研究增材制造增强钛合金及复合材料性能提供了理论依据。

激光增材制造网状结构金属基复合材料的研究进展

相较于传统增强相呈均匀分布的金属基复合材料,网状结构金属基复合材料因其独特的“机械互锁”“位错钉扎”等组织结构特征,具有更优异的室温强度、高温强度、弹性模量和断裂韧性,在航天、航空等领域上具有广泛的应用前景。激光增材制造技术可实现对网状结构的精细化调控,为网状结构金属基复合材料的进一步发展提供了新的途径。本文综述了高能量激光束诱导马兰戈尼对流作用下网状结构金属基复合材料的形成机理、影响网状结构形成的因素、不同类型网状结构的显微组织结构特征,分析了网状结构金属基复合材料的多段弯曲断裂、微孔聚集断裂等断裂机制,阐述了在霍尔−佩奇、奥罗万、泰勒、载荷传递等强化机制共同作用下的强化机理,以及独特的增强相贫、富区协同作用下的韧化机理,并对其未来的研究方向进行了展望。

增材制造钛基金字塔点阵结构对镁/钛双金属复合材料界面强化的优化

采用超声辅助固-液复合铸造的方法,通过在界面处采用增材制造的钛基金字塔型点阵材料制备镁/钛异种双金属复合材料。采用正交法对点阵结构参数进行优化。结果表明,优化后的点阵结构参数为:杆直径(d)1 mm,杆长与杆直径比(l/d)3,上节点和下节点直径与杆直径比(d_(1)/d,d_(2)/d)均为2.5,其中l/dd是影响接头失效强度的最显著因素,最优点阵结构参数下镁/钛双金属接头的失效强度为77.3 MPa。实验结果和有限元分析表明:随着点阵结构长径比的增加,镁/钛双金属接头的失效强度先增加后减小,当长径比为3时,失效强度达到最大。

增材制造金属材料的疲劳性能研究进展

金属增材制造作为前沿热点制造技术之一,近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。利用增材制造技术制备金属材料的过程中,不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷,虽然工艺技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度,但至今仍无法完全消除这些缺陷。增材制造金属材料的过程中,缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核,造成金属材料的疲劳寿命下降。首先从表面质量、内部缺陷及微观结构等方面阐述了增材制造金属材料疲劳性能的影响因素;其次从宏观与微观角度概括了疲劳裂纹萌生/扩展机理的研究现状与进展;总结了热处理、表面优化、电磁辅助以及超声辅助等疲劳延寿技术的研究进展;最后讨论了基于机器学习技术的疲劳寿命评估模型,同时展望了机器学习和人工智能技术在增材制造金属材料领域的应用前景,为推动增材制造金属材料的发展和应用提供了借鉴与参考价值。

《粉末冶金技术》2025年“增材制造金属材料的腐蚀与模拟计算”专刊征稿启示

金属增材制造(Metal Additive Manufacturing,MAM)因其高度的工艺灵活性、广泛的材料适用性和充分的材料利用率,自20世纪80年代增材制造的概念化开始,便受到了国内外各领域研究者的广泛关注。相较常规金属零部件制备方法,增材制造在产品研发、复杂结构制造和多材料集成制造方面表现出突出的优势,使其成为现代工业也必将是未来工业中的关键战略技术。历经四十多年的快速发展,MAM技术逐渐成熟,国内外已形成相关的标准,且已具备较大的市场规模。金属增材制造过程中,熔池内的瞬间温升快、冷却快、成分过冷度大,导致增材制造组织结构上存在非均匀的物理、化学特性,并且不可避免地存在微孔隙与裂纹,这些使得增材制造金属面临着局部腐蚀风险,极大降低成形件的安全等级及服役寿命。因此,系统深入研究增材制造金属的粉材/丝材特性、打印工艺、组织特征和腐蚀行为之间的关联关系是非常必要的,对推动增材制造技术的工程应用具有重要意义。

电弧增材制造纳米TiC颗粒增强铝基复合材料组织与性能研究

在金属材料中引入第二相粒子是提高金属材料力学性能的重要手段之一。本文提出一种Al6061铝箔包裹TiC和Al6061的混合粉末形成一种特殊填料焊丝的TiC/Al6061复合材料电弧增材制造的新方法,并分别研究质量分数为1%、2%和3%的TiC颗粒对制备的铝基复合材料组织与性能的影响。结果表明,TiC质量分数为3%的复合材料与基体材料相比,试样的平均晶粒尺寸由45.5μm减小到25.3μm,细化了44.4%;抗拉强度和屈服强度由148.5 MPa和118.0 MPa提升到178.1 MPa和157.3 MPa,分别提升了19.9%和33.3%;平均显微硬度由50.5HV增加至65.2HV,提升了29.1%。理论结合及试验分析表明,TiC的载荷传递强化和晶粒细化以及Orowan强化机制,是材料力学性能提高的主要原因。

高能束增材制造铝合金及其复合材料缺陷形成与控制机理

增材制造技术的快速发展为高性能铝合金及其复合材料的设计制备与应用带来了机遇。本文介绍了增材制造技术在铝合金及其复合材料中的应用现状与未来趋势,并分析了增材制造工艺参数对铝合金及其复合材料显微组织及力学性能的影响。在此基础上,以激光增材制造技术为主,综述了铝合金及其复合材料在增材制造过程中的缺陷形成机理与缺陷控制策略。其中,铝合金的宽半固态区间、高热导率、对激光的高反射率、激光增材制造本身特有的大升降温速率,以及高温度梯度等特性共同导致了打印复合材料组织粗大、孔洞、微裂纹缺陷的产生。通过引入纳米颗粒以提高形核率、稳定熔池或提高铝合金对激光的吸收率,可显著减少增材制造铝合金及其复合材料缺陷数量。未来,应对新型增材制造技术的缺陷形成与控制机理、增材制造专用铝合金粉体研发及增强体分布调控方法等开展相关研究。本文将为高性能铝合金及其复合材料的增材制造开发与应用提供参考。

多材料砂型增材制造一体化共面铺砂工艺研究

目的针对复杂薄壁铸件高性能制造难题,本研究提出多材料砂型增材制造一体化共面铺砂工艺,实现多材料砂型的整体成形。方法基于多材料砂型增材制造振动铺砂装置,通过优化固化剂含量、铺砂器开口宽度和振动频率,实现两种型砂材料的定量落砂。通过显微镜扫描表征和图像处理,系统地研究了在不同铺砂速度下的铺砂质量和型砂层厚变化规律。结果在一定范围内,固化剂含量的增大会减小落砂流量,铺砂器开口宽度与振动频率的增加均提高落砂流量,当硅砂固化剂含量为2.3wt.‰、铬铁矿砂固化剂含量为2wt.‰、铺砂器开口宽度为2mm、振动频率为500Hz时,两种型砂落砂流量相等;在此基础上,铺砂速度提高会增加模糊长度,降低铺砂界面连接处和铺砂末端粗糙度。当铺砂速度为53.92mm/s时,实现0.6mm层厚的多材料稳定持续铺砂,界面连接效果好、铺砂精度高。结论本研究突破多材料砂型增材制造一体化共面铺砂工艺,实现多材料砂型多区域定量均匀铺砂。

基于增材制造技术的医用有机硅材料研究进展

有机硅材料因其出色的力学性能、耐热性、生物相容性和化学惰性等优良特性适用于各种医学应用,而增材制造技术(或3D打印)使得有机硅的复杂结构成型和个性化定制成为可能。本文概述了近些年3D打印技术的进展,并针对性地调研了3D打印有机硅的发展现状、合成原理及分子结构设计,综述了3D打印有机硅在医疗植入物、骨科学、软体机器人、口腔医学、整形外科等多种医学领域的成功医用案例,最后分析并展望了3D打印有机硅领域仍然面临的技术难点和发展趋势。

增材制造柔性压电材料的现状与展望

柔性压电材料作为一类重要的功能材料,具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点,可以实现机械能和电能的相互转换,并贴附在人体上实时获取人体或环境信息,在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材料结构不断提高的要求,增材制造技术被广泛用于制造压电材料。该技术有望突破传统压电材料加工和生产的技术瓶颈,极大提升柔性压电产品的结构自由度和性能,从而推动柔性压电材料应用的变革。本文在介绍压电材料分类和性能的基础上,系统阐述了增材制造柔性压电材料的主要工艺种类,包括熔融沉积、墨水直写、选择性激光烧结、电辅助直写、光固化和墨水喷射等;总结了增材制造柔性压电材料的结构,主要有多层结构、多孔结构和叉指结构;介绍了增材制造柔性压电材料在能量收集、压电传感器、人机交互和生物工程中的应用进展;最后总结和展望了增材制造柔性压电材料面临的挑战以及未来发展趋势。

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。

316L不锈钢和镍基合金梯度材料MIG焊电弧增材制造工艺研究

目的采用MIG焊电弧增材制造的工艺方法,实现316L不锈钢和625镍基合金2种材料的增材制造,以获得无缺陷、性能优异的功能梯度材料。方法采用双脉冲电弧模式,利用316L和Inconel6252种焊丝在钢板上分别以25%和5%梯度比例进行50层往复式堆积实验,对沉积样品进行形貌外观、沉积效率、微观组织、硬度和拉伸性能的研究,并采用多级指标的评价系统综合评价沉积样品的成形质量。结果2个试样成功过渡堆积50层,表面成形良好,无未熔合、流淌、裂纹等缺陷。从宏观来看,样品横截面无气孔、热裂纹等缺陷。研究发现,5%梯度样品沉积效率高于25%梯度样品,硬度随着镍基合金比例的增大而增加,并通过电镜扫描方法发现25%梯度样品中75%(质量分数)316L+25%Inconel625区域出现裂纹,硬度和拉伸性能下降,降低了样品总体质量,而5%梯度比例的样品无此区域,总体质量良好。结论电弧增材制造采用5%的过渡比例工艺获得的梯度材料具有较高的强度与韧性,优良的拉伸性能为工业生产中的应用提供了可靠的保障,在工业上具有很好的应用前景。