激光增材制造与连接GH4169合金的热处理工艺研究

采用激光增材制造技术制备了GH4169合金母材样品,并采用相同的工艺参数实现了母材的激光增材连接,检测了不同热处理状态下合金的拉伸性能,分析了性能改变的内在机理。结果表明:凭借激光增材制造技术热影响区小的优势,热处理前后母材与连接区域处微观组织的演变基本一致。沉积态合金呈典型的柱状晶组织,且二次枝晶并不发达,γ+Laves共晶相呈条带状和岛链状沿晶界分布;均匀化+固溶处理后Laves相发生分解并回溶入基体,并伴随着柱晶的粗化;当进行双重时效处理时Laves相的分布状态发生改变。不同热处理工艺试样的拉伸性能均高于同合金铸态指标,热处理对Laves相的含量和分布状态的改变是影响其强度和塑性的主要因素。

热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织的影响

为揭示GH3230高温合金的激光选区熔化增材成形性,研究了热等静压对激光选区熔化增材制造GH3230高温合金微裂纹与组织及拉伸性能的影响。结果表明,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态存在凝固微裂纹,该裂纹在XOY截面呈现龟裂特征,在ZOY截面呈现线状;热等静压之后,激光选区熔化增材制造GH3230高温合金的一部分微裂纹可以消除,另一部分较长的微裂纹难以消除。激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态组织基本为片状固溶体组织,在晶界附近存在少量析出碳化物;热等静压之后,在晶界附近析出大量的MoWCr碳化物,而晶内析出MoWCr碳化物数量多且尺寸较小。凝固微裂纹导致激光选区熔化增材制造GH3230高温合金沉积态XY方向抗拉强度及延伸率降低,而热等静压能减小大尺寸微裂纹,消除小尺寸微裂纹及气孔,可大幅提高XY方向的抗拉强度和延伸率。

基于金刚石热历史的超硬磨具激光增材制造工艺与组织性能优化

超硬磨具激光增材制造过程中,金刚石极易受到激光直接辐照和高温熔池的影响,出现石墨化等热损伤现象.选取典型的金刚石磨具用金属结合剂CuSn10粉末,采用粉末床熔融(Powder Bed Fusion-laser Beam,PBF-LB)技术制备CuSn10-金刚石复合材料;围绕高能激光束和高温熔池两个影响增材制造过程中金刚石颗粒性能的关键因素,以单颗金刚石颗粒为研究对象,通过有限元模拟分析构建金刚石颗粒的温度场模型,反映了金刚石颗粒在PBF-LB中的热演化过程;阐明了PBF-LB过程金刚石的热损伤机制,发现金刚石发生石墨化转变并不是由激光的直接辐照造成的,而是由高温熔池的热影响导致,CuSn10-金刚石复合材料在PBF-LB过程中石墨化的临界温度为1491.6℃.建立了PBF-LB工艺-金刚石颗粒温度-石墨化程度-摩擦磨损性能的定量关系,发现随着金刚石颗粒温度的增加,其石墨化程度增加,严重损害了复合材料的摩擦磨损性能.

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果在相同的∆K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lgC呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。

基于激光增材制造粉末回收装置的改进

激光增材粉末制造是一项前沿性的先进制造技术,但现有激光增材制造设备在生产过程中有大量的金属粉末不能进入熔池参与成型而浪费。拟通过增设离心抽风机、粉末回吸嘴、粉末收集器、二级振动筛、振动源、一级振动筛、沉积基板、成型盒和激光送粉头等组成的一种粉末回收装置,对激光增材制造中未熔融成制件的粉末进行分级筛选,将符合颗粒度要求的金属粉末直接送入激光送粉装置进行回收利用,从而降低送粉能耗,有效提高材料的利用率,进而降低激光增材制造成本。

电弧增材制造GH4169合金均匀化热处理组织特征、力学性能和蠕变性能研究

为深入探究电弧增材制造GH4169合金热处理组织特征,针对不同热处理工艺对GH4169合金组织及相的影响开展研究,以确定最佳的均匀化热处理工艺。采用电弧熔丝增材制造技术成形GH4169合金试块,研究不同均匀化热处理温度下试样微观组织和力学性能的变化。结果显示,随着均匀化温度的提升,Laves相逐渐溶解至完全溶解,试样组织逐渐变得均匀。当均匀化温度升至1 100℃时,Laves相完全溶解,试样水平方向和垂直方向均为等轴晶,组织各向异性消除。经过1 100℃均匀化处理再进行固溶+双时效处理,材料强度明显提升,相比沉积态增加50%,且材料的蠕变性能远高于锻件标准。研究表明,通过控制均匀化热处理温度和后续的热处理工艺,能有效提升电弧增材制造GH4169合金的力学性能和蠕变性能。对于优化电弧增材制造GH4169合金的工艺参数,提高其综合性能具有重要意义。

超高速激光金属沉积增材制造K648高温合金的显微组织与性能

采用一种新型的超高速激光金属沉积工艺以提高高铬高温合金的制造效率。分别使用透射电子显微镜、拉伸试验机、磨损试验机和电化学工作站对超高速激光金属沉积高铬K648高温合金的析出相生长行为、高温力学性能、耐磨性和耐腐蚀性进行研究,并与传统激光金属沉积工艺进行比较。结果表明,超高速激光金属沉积K648合金的析出相尺寸明显小于传统激光金属沉积工艺制备的K648合金,700℃下的高温强度更高,且具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。总之,超高速激光金属沉积制造的K648高铬高温合金具有良好的综合性能。

脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果,总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势。针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况,研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等),进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理。最后,对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结,并对下一阶段的发展方向进行了展望。

激光增材再制造修复技术的现状与发展趋势

激光增材再制造技术是基于激光熔覆、激光堆焊等激光沉积技术原理实现各种金属零部件损伤部位的几何尺寸或综合性能恢复的绿色制造新技术。针对激光增材再制造技术,具体阐述了增材再制造技术的国内外现状,并详细介绍了激光增材再制造的工艺类型以及在各行业的应用,最后展望了激光增材再制造技术的发展趋势。

激光-电弧复合增材制造Al-Cu合金T型结构微观组织演变与熔池流动行为分析

在T型结构增材制造过程中,交叉节点处易出现冶金结合不良及重熔缺陷等问题,制约该结构性能的提升。采用激光-电弧复合增材制造技术制备了Al-Cu合金T型结构,对交叉节点处的组织形貌进行了表征,并通过数值模拟分析了节点处熔池内的温度分布以及流动特征。结果表明,在T型结构节点处能够观察到重熔作用所导致的弧形条纹特征,该区域的模拟形貌与实际结果具有良好的一致性;熔池边界处等温线分布较为密集,内部Marangoni对流导致逆时针涡流的形成,最高流速可达0.16 m/s。依据顶层晶粒形态差异,分为顶层节点重熔区(RZI)和顶层热影响区(HAZ)。其中RZI内主要为细小的树枝晶,平均晶粒尺寸相比于HAZ降低了20.8%,内部析出相主要为与α-Al基体呈非共格界面的大尺寸θ(Al_(2)Cu)相;平均显微硬度可达(98.4±6.4)HV_(0.1),相比于未重熔区最高提升约14.0%。

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。

氧化物共晶陶瓷激光增材制造裂纹缺陷形成及抑制研究进展

氧化物共晶陶瓷以其优异的高比强度、耐高温、耐腐蚀、抗氧化和抗蠕变等独特性能,被认为是超高温氧化腐蚀等极端环境下长期稳定服役的理想材料之一,在新一代高推重比航空发动机高温热端结构部件中具有巨大的应用前景。激光增材制造技术已成为近年来制备高性能复杂结构部件最具潜力的前沿技术,然而陶瓷在激光快速凝固过程中,裂纹缺陷极易产生,严重影响构件的成形质量和性能,成为制约工程化应用的关键。本文综述了激光近净成形和激光粉末床熔融两种典型陶瓷激光增材制造技术,分析对比了两种技术制备的不同形状陶瓷样件的裂纹形态特征,重点从微观组织形态特征、应力状态等角度探讨了激光增材制造氧化物陶瓷裂纹的形成机理,并进一步从工艺参数优化、成分设计、外场辅助等三个方面改善微观组织与减小热应力以抑制裂纹进行系统总结。最后指出氧化物共晶陶瓷激光增材制造在粉末特性、成形主次因素、成形技术研究等方面的未来发展趋势及突破方向。

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。

激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究进展

针对沉淀强化镍基高温合金中的裂纹现象,对比了2类热裂纹(即凝固裂纹和液化裂纹)的典型特征、形成位置和条件。从枝晶生长、元素偏析、强化相析出、固态相变和残余应力应变等角度,系统综述了热裂纹的形成机理和热裂纹敏感性影响因素。在此基础上,从合金成分调控、工艺参数优化、基板预热以及热等静压处理等方面,概述了增材制造高温合金热裂纹调控和抑制的主要措施。最后,针对激光增材制造沉淀强化镍基高温合金热裂纹研究中存在的问题,提出了进一步研究和发展的建议,为实现无裂纹镍基高温合金的增材制造提供了参考。

超高温氧化物陶瓷激光增材制造及组织性能调控研究进展

氧化物陶瓷具有高硬度、高强度以及优异的抗氧化和抗腐蚀性能,是高性能发动机极端高温、燃气腐蚀、氧化服役环境用重要的候选高温结构材料,在航空航天用高端装备领域具有广阔的应用前景。与传统陶瓷制备技术相比,激光增材制造技术能够一步实现从原材料粉末到高性能结构件的一体化高致密成型,具有柔性度好、成型效率高的特点,可以快速制备高性能、高精度、大尺寸复杂结构部件。近年来,基于液固相变发展的熔体生长氧化物陶瓷激光增材制造技术已成为高温结构材料制备技术领域的前沿研究热点之一。本文首先概述了激光增材制造技术的基本原理,着重介绍了选区激光熔化与激光定向能量沉积两种典型激光增材制造技术的工艺特点。在此基础上,重点阐述了利用激光增材制造技术制备不同氧化物陶瓷的组织特征及工艺参数对微观组织的影响规律,并总结比较了不同体系氧化物陶瓷力学性能的差异。最后,对该领域存在的问题进行了梳理和分析,并对未来的发展趋势进行了展望。

金属材料激光增材制造路径规划研究现状与展望

激光增材制造技术可成形任意复杂形状零件,广泛应用于航空航天、汽车、船舶、医疗器具等领域。激光增材制造技术根据粉末提供方式的差异可分为粉末床预置铺粉的选区激光熔化技术和送粉器同步送粉的激光定向能量沉积技术。路径规划是激光增材制造过程中的重要步骤,当采用不同的路径策略时,即使硬件设备和工艺参数保持一致,零件的成形质量以及力学性能也会存在较大差异。目前,众多学者针对不同目标的路径规划策略展开了广泛的研究。本文总结了激光增材制造技术路径规划的研究现状,分析了两类目标的路径规划策略,即提高成形质量以及力学性能。最后对未来激光增材制造路径规划的研究进行了展望,为其进一步研究提供了方向。

激光增材制造金属构件的缺陷控制研究进展

介绍了激光增材制造原理、技术特点及其适用的金属材料体系,归纳了常见冶金缺陷的形成机制、影响因素,并从工艺参数优化和后处理两方面阐述了增材制造冶金缺陷处理的相关研究进展,明确了工艺参数优化与后处理优化的方向。最后对激光增材制造未来的发展趋势和研究方向作出了展望。

聚醚酮酮粉末的制备及其在激光选区烧结增材制造中的应用

实验采用热致相分离法(TIPS)制备适用于3D打印的聚醚酮酮(PEKK)粉末,通过差热分析、傅里叶红外光谱、扫描电镜、激光粒度仪等仪器对粉末进行表征.TIPS法制备的PEKK粉末具有较好的粉末流动性和较高的致密度.粉末平均粒径为49.1μm,粉末休止角AOR值为34.3°.经热处理之后粉末堆积密度提高至0.34 g/cm^(3),符合3D打印对粉末流动性和堆积密度的要求.通过DSC观察到TIPS法制备的PEKK粉末具有双重熔融峰,该峰是由于粉末的多晶型引起.通过对打印工艺参数的优化,在激光功率5.6 W,扫描速度1172 mm/s下制备的单层烧结拉伸件强度为7.3 MPa.当热输入量过高时,材料发生降解,并在表面产生孔洞.

热处理时效时间对激光增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸性能的影响研究

目的研究热处理时效时间对激光增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金微观组织与拉伸性能的影响,揭示微观组织与力学性能的内在关联机制。方法采用控制单一变量的试验方法进行时效热处理,设定保温温度为325℃,冷却方式为空冷,在不同保温时间(2、4、6、8 h)下进行组织与性能共通性及差异性分析。结果经325℃时效热处理4 h后,在激光增材制造Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金中形成了Al_(3)Sc、Al_(3)(Sc,Zr)析出相,抗拉强度达到最大值486 MPa,相较于未热处理,提升了21.8%,随着保温时间的进一步延长,析出相的高温停留时间变长,组织形核长大,Al_(3)Sc、Al_(3)(Sc,Zr)强化相尺寸明显增大,最大尺寸可达0.6μm。结论随着时效时间的延长,沉积道次间重熔边界逐渐不明显,热处理有助于Al_(3)Sc、Al_(3)(Sc,Zr)析出相的形成,而保温时间过长则容易导致析出相尺寸粗大,合理的热处理保温时间可以改善激光增材制造Al-Mg-Sc-Zr合金微观组织与力学性能。

激光增材制造无人机框梁结构拓扑优化设计及刚度分析

目的以选区激光熔化成形(SLM)无人机接头框梁结构为研究对象,研究不同工况条件下零件的变形分布情况,对原零件进行拓扑结构优化,并对优化后的零件进行二次静力学验证。方法以AlSi10Mg铝合金粉末为原材料,利用Ansys Workbench软件的Mechanical模块对SLM成形接头零件4种工况下的静力学刚度行为进行有限元仿真。采用变密度法进行拓扑优化,以刚度最大化为目标、保留质量40%为响应约束进行结构优化,根据拓扑优化密度云图设计孔洞位置及尺寸,对模型进行重构,并在Ansys Workbench软件中进行二次静力学刚度仿真。结果在4种工况条件下,接头零件弯曲时最大位移位置在上耳片边缘,除工况A外,其余工况均呈现沿z轴正向变形的趋势。在工况B下,总变形最大为0.289 mm,优化后为0.626 mm。优化后的零件使上、下耳片变形程度差异显著减小,最大变形差由0.128 mm减至0 mm。结论不同位置接头零件的变形演变规律不同,几乎不存在扭转变形,主要是框梁结构的竖直弯曲变形,经拓扑结构优化后零件变形总体趋势并未改变,但整体结构的稳定性和一致性得到了显著提高。