激光同轴送粉增材制造工艺调控研究

基于激光同轴送粉沉积技术,对316L不锈钢增材制造构件的成形控制进行研究。分析了打印平面位置及层高对接头尺寸的影响,建立了接头尺寸和工艺参数之间的回归关系模型。结果表明,当打印平面处于激光焦点所在的平面时,打印平面随实际层高的波动会发生自动反馈调节的过程;实际层高随设定层高进行自动调节,直到实际层高和设定层高基本保持一致,不同粉末沉积率下存在最佳的层高设定值;得到接头尺寸和工艺参数之间的回归模型,并优化工艺制备出成形较好的单壁和实体增材构件。

激光同轴送粉增材制造薄壁试样的温度演化

采用实验和ANSYS Mechanical APDL有限元仿真相结合的方式,研究激光同轴送粉增材制造薄壁试样时,温度随时间、空间的演变特性。结果表明,在增材制造过程中,基板上的节点温度随时间波动上升,在停光后一定时间内依旧保持升温趋势。随试样层数增加,熔池温度上升,热影响区范围扩大。冷却时,极限温差急速下降,温度梯度不断减小。

激光同轴送粉增材较高试样温度场的传热特性

采用ANSYS Mechanical中的ANSYS参数化设计语言(ANSYS Parametric Design Language,APDL)模拟激光同轴送粉增材制造较高试样的温度场,分析其传热特性。结果表明:当试样高度较小时,基板最低温度会随高度增大而增大;当试样高度达到一定数值后,会导致温度逐渐下降;随着试样高度增加,基板高温区域逐步向试样投影区靠拢,范围缩小,但熔池温度略有上升;随着高度增加,节点热循环曲线中谷值温度增加,冷却时降温速率增大。

同轴送粉激光熔覆气泡逃逸行为及分布研究

目的获取Inconel 718合金在同轴送粉激光熔覆过程中,熔池内气泡的动态行为及熔覆层中气孔缺陷的分布规律。方法建立熔池内部气泡力学模型和方程,考虑气泡浮力、重力、气泡和熔液相对运动产生的黏滞力,以及熔液对流带来的拖曳力等力的综合作用,着重研究浮力、拖曳力对气泡逃逸行为的影响,并计算不同条件下的气泡逃逸时间;搭建“三明治”观测平台,原位观测在熔覆过程中熔池内气泡的动态行为,获取熔池寿命;进行单因素Inconel718合金同轴送粉激光熔覆实验,探究熔覆层气孔缺陷的分布规律。结果熔池寿命通常在0.2~0.4 s;熔池内气泡直径临界值约为60μm,当熔池内气泡直径大于60μm时更容易通过自身浮力逸出,与单因素实验获得的熔覆层中96.94%的气孔缺陷直径小于60μm具有较好的一致性;对熔覆层气孔缺陷表征发现,浮力对临界直径以下气泡运动状态的影响一般小于拖曳力。结论Inconel718合金在激光熔覆过程中,熔池内气泡大小存在临界值,且主要受浮力向上运动及受拖曳力随熔池对流运动的影响,熔覆层中气孔缺陷倾向于分布在对流路径上。

非载气式激光同轴送粉试验研究

研制了一种非载气式激光同轴送粉系统 ,粉末流能汇聚输出 ,其焦点尺寸为 1 5mm ,焦距 fp15～ 35mm连续可调。在二维平面上熔敷消除了方向性影响 ,多层激光熔敷组织、成分及硬度分布均匀。与载气式同轴送粉相比 ,具有较高的粉末利用率 (6 0 %～ 80 % )

激光送粉增材制造Fe-Mn-Si基形状记忆合金组织与性能

为了探索简单高效且能制备出具有复杂形状、优异性能的Fe-Mn-Si基形状记忆合金的新工艺,采用激光同轴送粉沉积工艺制备Fe-Mn-Si基形状记忆合金,并研究其组织结构、机械性能和形状记忆性能。研究结果表明:沉积态Fe-Mn-Si基形状记忆合金由γ−奥氏体和ε−马氏体组成,且母相奥氏体基体内有大量层错存在。沉积态Fe-Mn-Si基形状记忆合金室温下的名义屈服强度为508 MPa,拉伸强度为1030 MPa,伸长率达31%,最大可回复变形量为3.6%,其形状记忆性能优于传统固溶态变形加工Fe-Mn-Si基形状记忆合金的形状记忆性能。因此,采用激光增材制造技术制备Fe-Mn-Si基形状记忆合金具有广阔的前景。

激光辐照下粉末颗粒物态变化特征

激光与粉末颗粒交互作用后粉末颗粒的物态是目前制约激光同轴送粉加工工艺持续提升的核心要素之一.利用背影增效瞬态影像高速摄影方法清晰获取了激光辐照下粉末颗粒状态随时间变化规律,构建出了激光作用下粉末颗粒飞行过程的动力学模型,对光粉作用区内不同物态特征粒子的演化规律进行了系统研究.结果表明,光粉交互作用区约70%的粉末粒子受到激光辐照,强激光辐照下粒子表面瞬间气化产生高温等离子体形成的反冲作用力是改变粉末粒子运动轨迹和运动速度的原因;激光辐照下粒子运动加速度与“慧尾”长度之间存在映射关系,“慧尾”长度越长,粒子运动加速度越大;粉末粒子的亮度信息在统计学规律上可以定性表征激光辐照下粉末粒子的物态.

生长方式对激光增材制件温度和变形的影响

采用ANSYS Mechanical APDL有限元模拟和实验相结合的方法,研究激光同轴送粉增材制造长方体试样时,沿短边生长和沿长边生长对温度和变形的影响。结果表明:在增材制造过程中,基板上点的温度周期性波动变化,经历上升、平稳和下降阶段。沿短边生长时,基板上点的温度最大值低,降温速率慢,增材结束时温度高,但冷却时,降温速率快;增材试样的熔池最高温度低,高温范围小,但传递到基板的热量大,基板的温度值和分布面积都要大于沿长边生长的。增材结束后,基板主要发生面向激光光源的纵向翘曲变形,沿短边生长基板翘曲变形要大于沿长边生长的。

Nb元素对3D打印TC4钛合金的组织性能影响

目前TC4钛合金增材制造结构件性能要达到锻件标准要求,往往通过热处理得以实现。本研究试图通过合金元素Nb的添加,使TC4钛合金增材制造结构件在沉积态性能达到锻件标准。本文通过激光同轴送粉增材制造技术制备了TC4与TC4+Nb沉积态样件,研究了Nb对TC4沉积态显微组织、相组成及力学性能的影响规律。结果表明,TC4与TC4+Nb沉积态的组织均由大量α-Ti及少量β-Ti构成。与TC4沉积态比较,TC4+Nb沉积态的原始β-Ti晶粒平均晶粒尺寸明显减小;TC4+Nb沉积态初生针状α-Ti尺寸减小了约2.1倍;网篮组织面积占比提高了约1.2倍,TC4+Nb沉积态网篮组织中α+β晶界组织面积占比提高了5.1倍,同时网篮组织得到明显细化。TC4+Nb沉积态样件的抗拉强度约为1069.7MPa、屈服强度约为890.72MPa、伸长率约为12.3%及断面收缩率约为29.8%。