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。

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。

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%。

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。

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。

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。

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。

丝材定向能量沉积增材制造在线监测与过程控制综述

丝材定向能量沉积(W-DED)是以丝材为原材料的一种增材制造技术,具有高效率、高精度、高材料利用率的特点。然而,在丝材熔化与沉积过程中,可能因过度热输入而导致沉积缺陷的形成。因此,需要使用在线监测技术对沉积过程中的熔池和沉积层等对象进行监测,从而实现对沉积工艺参数的控制优化。多模态信号融合方法能够利用来自不同模态的物理信息来提升监测任务的准确性和稳定性。首先,总结了丝材定向能量沉积技术在线监测对象与成形质量的关系;然后,对现有在线监测技术进行分类,并对其相关沉积参数的过程控制方法进行整理;最后,总结了当前丝材定向能量沉积增材制造在线监测与过程控制方面的研究进展和挑战,并展望了未来的研究方向。

Al_(2)O_(3)-TiC_(p)复相陶瓷激光定向能量沉积直接增材制造

Al_(2)O_(3)-TiC_(p)(AT)复相陶瓷材料以其优异的综合力学性能而被广泛用作金属切削刀具材料。针对AT材料传统烧结方法在能耗及周期方面的局限,本工作利用激光定向能量沉积技术开展了AT复相陶瓷材料直接增材制造的研究,系统探讨了不同TiC_(p)比例对复相陶瓷材料微观结构和力学性能的影响。结果表明TiC_(p)颗粒均匀分布在成型样件的基体中,掺杂TiC_(p)细化了Al_(2)O_(3)晶粒。同时,由于TiC_(p)与Al_(2)O_(3)基体的热膨胀失配引起裂纹出现偏转、贯穿颗粒等现象,消耗了裂纹扩展能量,进而有效抑制了AT材料直接增材过程中的裂纹扩展行为。掺杂TiC_(p)颗粒对熔池形成冲击,在一定程度上加快了气体的逸出速率,进而提高了材料的相对密度。但TiC_(p)含量过高将加剧其与Al_(2)O_(3)基体在高温时的化学反应,生成的气体使复合材料中出现较大气孔并降低了材料部分力学性能。TiC_(p)质量分数为30%的复合材料的相对密度达到96.64%、平均显微硬度达到21.07 GPa和断裂韧性达到4.29 MPa·m^(1/2)。

激光定向能量沉积工艺对Mo涂层裂纹及耐磨性的影响

为提高Cu合金表面硬度、耐磨性,用激光定向能量沉积技术在其表面制备Mo涂层。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度计和摩擦磨损试验机对涂层的物相组成、显微组织、显微硬度和耐磨性进行表征。结果表明:Mo涂层均为单一的Mo相,存在较多气孔、裂纹缺陷;Ni/Mo过渡涂层出现Ni_(3)Mo新相;受涂层致密度影响,Mo涂层显微硬度差异明显,硬度最高可达(498.5±21.1)HV_(0.3);耐磨性是基体的4.19倍,磨损机理主要为磨粒磨损。

超声微锻造辅助定向能量沉积316L不锈钢 微观组织与力学性能研究

目的在定向能量沉积(Directed Energy Deposition,DED)增材过程中,快速加热与冷却会导致增材构件出现晶粒粗大、孔洞裂纹缺陷多、综合力学性能偏差等问题,针对以上情况,对超声微锻造辅助DED增材316L不锈钢进行了研究。方法设计了一套活动自由度高、超声振动能量易集中的滚珠式超声微锻造辅助增材制造系统,并研究了该超声微锻造系统对DED增材316L不锈钢微观组织与力学性能的影响。采用控制变量法对DED增材316L不锈钢的打印参数进行了优化,获得了最优打印参数下未加超声微锻造辅助的不锈钢试样的组织和力学性能。然后在相同的打印参数下采用本文设计的滚珠式超声微锻造系统辅助制备不锈钢试样,并分析了滚珠式超声微锻造对试样微观组织与力学性能的影响规律。结果超声微锻造辅助DED增材能够细化柱状晶晶粒,使柱状晶宽度变窄,层间分布更加清晰,孔洞裂纹等缺陷减少,位错密度增加,位错密度由5.19×10^(13) m^(-2)升高至7.5×10^(13) m^(-2);在力学性能方面,试样的屈服强度与抗拉强度均有所提升,增材件的屈服强度由(517.4±0.73)MPa提升至(550.1±4.49)MPa,抗拉强度由(705.1±0.34)MPa提升至(736.5±7.44)MPa,屈服强度与抗拉强度均高于锻件(327 MPa,620 MPa)水平,塑性略有降低,试样的伸长率由(45.9±3.67)%降低至(37.01±3.6)%。结论滚珠式超声微锻造辅助DED增材316L不锈钢能够抑制晶粒的外延生长,细化柱状晶晶粒,减少孔洞裂纹等缺陷,提升其屈服强度与抗拉强度。

定向能量沉积增材制造双相不锈钢微观组织与性能研究进展

双相不锈钢由于其优异的力学性能和耐腐蚀性能,被广泛应用于海洋工程、石油化工等领域。目前与铸造等传统工艺相比,定向能量沉积(DED)在制造形状复杂的大尺寸双相不锈钢结构件上具有材料利用率高、产品交付周期短等优势。然而,DED过程中复杂的热循环容易引起双相不锈钢微观组织的不均匀,导致其力学性能的各向异性和耐腐蚀性能的恶化。本文综述了近年来基于DED技术增材制造的双相不锈钢的研究现状,总结了成型工艺参数、合金成分、热处理工艺等对双相不锈钢结构件微观组织的演变、力学性能及腐蚀性能的影响,最后对该领域未来的重要研究方向进行了分析和展望。

激光定向能量沉积钴基合金热疲劳行为

针对再生冷却推力室等零件在服役过程中经受循环热冲击,容易发生热疲劳失效等问题,采用机械球磨混粉和激光定向能量沉积相结合的方法,在Stellite 6合金中添加铝和镍元素,制备了新型钴基合金。在室温至600℃进行自约束热疲劳测试,并采用扫描电子显微镜、X射线衍射和激光共聚焦显微镜等多种方式系统表征了测试前后钴基合金的显微组织演变和裂纹萌生及扩展过程。结果表明:与商用Stellite 6钴基合金相比,铝和镍元素的添加抑制了沉积态钴基合金中-Co的出现,并且在热疲劳过程中也限制了γ-Co向-Co的转变。3Al合金和3Al5Ni合金热疲劳裂纹出现的临界循环次数分别提高了250次和550次,裂纹扩展速率降低了7.5和12.25。新型钴基合金拥有更高的层错能,组成相更稳定,热疲劳过程中γ/相界面更少,减少了热疲劳裂纹萌生和扩展,从而大幅提升抗热疲劳性能。

蓝光激光定向能量沉积纯铜零件的工艺及性能

金属高反材料对短波长激光拥有较高的吸收率,文中使用大功率蓝光激光器作为能量源在不锈钢基板上进行纯铜的沉积,将激光功率、扫描速度和送粉速率从5个水平形成不同的工艺参数组合进行全因子试验.先从宏观尺寸分析了工艺参数对沉积层的影响,后从相对密度、组织结构和力学性能3个方面对多道多层工艺进行探究.结果表明,单位送粉激光能量(laser energy per unit powder feed,LEPF)在2.592~6.048 kJ/g范围内可进行稳定的连续沉积,而当LEPF值大于6.050 kJ/g时,因用于沉积的激光能量过多而导致气孔出现.使用LEPF值为4.53 kJ/g打印出了表面质量较好的纯铜薄壁圆筒零件.通过正交扫描得到最高相对密度为99.10%的纯铜块状样件,并观察到了两种孔隙:近球形的气体包封孔隙(Ⅰ型)以及未熔合和未熔化的粉末孔隙(Ⅱ型).最后进行拉伸测试,从结果发现,远离基板成形位置抗拉强度为196.55 MPa,靠近基板成形位置的断后伸长率为26.72%.

基于热源参数反向识别的定向能量沉积热力仿真

定向能量沉积(directed energy deposition,DED)热力仿真是有效预测沉积件残余应力和变形、优化工艺参数的重要方法,其仿真精度取决于输入参数的准确性.针对传统方法难以直接、准确获取输入参数的问题,文中以热源参数为例,提出基于支持向量机和遗传算法的参数反向识别方法,并用于精确构建实际DED工件热力仿真模型.首先基于参数化仿真建模正向获取不同热源参数下单道单层沉积件仿真误差;其次借助支持向量机构建热源参数与仿真误差的定量映射关系,并利用遗传算法反向识别热源参数,在正向-反向实施过程中,通过闭环迭代优化热源参数识别区间,达到参数精确识别目的;最后以实际DED工件涡轮叶片为案例,构建基于最优参数的热力仿真模型,进一步验证该最优参数反向识别法.结果表明,由单道单层简单件反向提取的最优热源参数,可用于准确预测实际DED工件制造过程中温度和变形场变化规律,为后续变形补偿等工艺优化提供理论基础.

考虑定向能量沉积工艺特点的减材加工余量优化

针对定向能量沉积(DED)复杂曲面零件余量不均及台阶效应明显等问题,提出了考虑DED复杂曲面成形特点的中面动态配准技术,以优化后处理减材加工余量。首先根据扫描路径构建曲面零件最小外包络的截面线,用于在机检测毛坯点云;然后提取理论模型中面与测量毛坯中面点云,引入不同区域配准精度要求,利用动态加权迭代最近邻点算法实现加工余量优化,并通过两简单案例对算法可行性进行初步验证;最后,以离心叶轮叶片为复杂案例,分析所提余量优化方法的准确性,并与基于遗传算法的多配准精度要求的加工余量优化技术进行对比。结果表明,所提余量优化算法的配准精度及计算效率高,可用于DED制造复杂曲面类零件的余量快速优化。

激光定向能量沉积增材修复5083铝合金组织与力学性能

以Al-Mg-Sc-Zr合金粉末作为修复原料,采用激光定向能量沉积法对开槽5083铝镁合金进行增材修复,用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、室温拉伸试验及显微硬度测试等手段,研究5083铝合金试样修复前后的微观组织与力学性能,同时对不同修复体积占比的试样力学性能进行对比。结果表明:修复区熔合线附近柱状晶呈树枝状,垂直于熔合线方向向基体呈外延生长。修复区为典型的熔池分布,晶粒尺寸为4-9μm,存在较多孔洞,熔合线和扫描轨道附近析出大量Al_(3)(Sc,Zr)颗粒。5083基体材料与开槽修复件的抗拉强度相差不大,分别为190.80 MPa和197.73 MPa,但修复试样的伸长率显著降低。从基体至修复区的2 mm范围内,硬度均值(HV)从50逐渐提高至100。

激光线能量密度对75W-FeCoNiCr合金微观组织及力学性能的影响

利用FeCoNiCr高熵合金为黏结相,并采用激光定向能量沉积(L-DED)方法制备新型75W-FeCoNiCr合金,研究激光线能量密度对合金相组成、相对密度、微观组织及力学性能的影响。研究结果表明,在线能量密度为157.14~325.00 J/mm时,不同线能量密度下的合金相组成没有明显变化,均由BCC-W相、TCP金属间化合物析出相Co_(7)W_(6)相和FCC-FeCoNiCr黏结相组成。随着线能量密度的增大,成分过冷度增加,析出相长大速率加快,其形态由板状/胞状向树枝晶状转变,并且粒径从1μm增加到8μm左右。随着线能量密度的升高,合金的致密度、显微硬度和压缩强度均呈现先升高后降低的趋势。当线能量密度为166.67 J/mm时,析出相主要为均匀胞状结构,此时,合金的致密度、显微硬度和压缩强度均达最高值,分别为98.4%、656 MPa和2261 MPa。