金属激光沉积成形分组平行扫描路径生成方法

结合金属零件激光沉积成形工艺和现有平行扫描路径生成方法,分析局部过熔覆和欠熔覆问题的根本成因,提出一种基于轮廓极值点识别判断的金属零件激光沉积成形优化分组平行扫描路径生成方法。基于分层轮廓的外偏置轮廓采用极值点处增线式扫描的方法生成扫描填充线,避免因扫描间距误差引起成形层面轮廓局部边界缺损,保证成形零件具有一定的加工余量。提出基于极值点与过渡扫描线位置关系判断优化分组连接填充矢量的方法来生成分组扫描路径,避免扫描填充线不当连接引起的过熔覆。试验表明:这种扫描路径可有效提高成形层面平整度和工件质量,保障成形加工的顺利进行。

基于温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法

现有金属激光沉积成形工件是根据几何模型按照设定扫描路径层层叠加而成,不可避免造成局部热量累积,导致成形工件内部温度梯度大,产生局部应力集中,易引起工件变形开裂。对成形过程温度进行实时检测并实现动态扫描路径规划是解决工件变形开裂的根本途径。在研究不同基体温度对熔宽、熔高影响规律基础上,提出基于层面温度分区的激光沉积成形扫描路径生成方法。采用红外热像仪对沉积层面温度进行实时采集,提取不同温度分区轮廓;提出温度分区轮廓规则化方法,消除局部轮廓尖角,避免过熔覆;改进Weiler-Atherton算法,快速实现分层轮廓与温度分区轮廓的求交运算;针对不同温度分区采用适应性间距生成扫描路径,实现激光沉积成形动态扫描路径规划。试验结果表明:该扫描路径可有效提高成形工件质量。

分区预热对金属激光沉积成形温度场的影响

为减小工件变形和防止工件开裂,提出了采用分区预热装置对基板成形区和近成形区进行分区预热,利用温差拉伸效应主动控制降低应力的新思路。利用ANSYS有限元中的"单元生死"技术,建立单道多层激光沉积成形过程三维温度场的数值模拟模型,深入研究了在基板成形区和近成形区施加不同预热温度以及两区形成不同预热温差(预热温差分别为100℃、200℃、300℃)状态下对成形过程温度场和温度梯度的影响规律,并指出相对于基板整体预热方式,基板分区预热方式下的成形过程温度梯度更趋于稳定,有利于降低热应力;上述分析结果可为分区预热装置设计、预热温度的选择优化提供指导依据。

激光沉积成形用超声振动系统的研制

为了细化晶粒、均匀组织成分,将超声振动引入激光沉积成形系统中。针对沉积系统的结构特点,设计了超声振动系统,对其中的超声电源和换能器进行了选择,并对超声变幅杆进行了设计和计算;然后测试了系统性能,并采用工艺试验验证其效果;从试验试件的宏观形貌、内部组织两方面,分析了超声振动对沉积层组织的影响。结果表明施加超声作用后沉积层单道沉积高度变小,原本较长的枝晶被振动的各种效应打碎,晶粒得到细化。

分区扫描对激光沉积成形钛合金T型接头温度场与应力场的影响

从分区扫描可以有效降低激光沉积成形大尺寸结构残余应力的工程经验出发,采用热弹塑性有限元理论,建立可以模拟成形过程温度场与应力场的有限元模型,研究不同分区扫描方式对激光沉积成形钛合金T型接头温度/应力演变过程、监测点热循环曲线以及残余应力的影响。结果表明:热应力与残余应力最大值均出现在T型接头上缘条与基板接触的4个外角点上,与分区扫描方式无关;分区扫描对T型接头外角点与短边外面中点影响较小,对于内部节点、内角点与长边外面中点的热循环曲线及热应力曲线有一定的影响;分区扫描对残余应力分布影响较大,尤其是对沿指定截面残余应力分布规律与最大残余应力幅值有显著的影响。

TC4激光沉积的成形效率与精度的工艺影响特性研究

采用单因素控制变量法,在不同激光功率、扫描速度、送粉速度、单层抬升量下进行TC4合金粉末的激光沉积试验,以成形区质量、成形区高度和翘曲变形量的比值分别作为成形效率、成形精度的评价依据,分析各因素对钛合金的沉积成形效率和精度的变化规律。结果表明,成形区质量越大,成形效率越高;成形区高度与翘曲变形的比值越大,成形精度越高。随激光功率的增大,成形区质量增大,精度下降;随抬升量的增加,成形区质量先增大后减小,成形精度先变差再变高;随扫描速度的增大,成形效率减小,精度变差;随送粉速度的增大,成形效率增大,精度变高。当激光功率为3000 W、单层抬升量为0.6 mm、扫描速度为6~10 mm/s,送粉速度为1.2~1.8 g/min时,成形效率和精度综合达到最优。

超声辅助钛合金激光沉积成形试验研究

借鉴超声振动在铸造、焊接、熔覆等领域中的作用,将超声振动引入钛合金激光沉积成形系统中,利用超声作用细化晶粒,均匀组织成分,减小试件的残余应力,从而解决成形件变形开裂的难题。针对成形系统的结构特点,搭建了超声振动系统,进行了超声振动辅助钛合金沉积成形试验。通过观察沉积试件的微观组织和对试件残余应力的测试,发现超声振动使试件熔覆层中的晶粒得到细化,使功能梯度材料试件中的TiC硬质相弥散均匀;并且能够减小试件的残余应力。测试结果表明超声空化或机械效应可以打碎由初生枝晶交错连接形成的固态结晶网,从而细化了晶粒,同时使继续结晶时熔体得到补充,减小了枝晶间产生的拉应力;另外超声波在熔池中的搅拌声流将使硬质相运动到熔池各处,使之分布更为均匀,在一定程度上减少了相与相之间凝固收缩应力的不同而产生的凝固应力。

电磁搅拌辅助激光沉积成形钛合金试验研究

为了研究磁场搅拌对激光沉积钛合金组织和性能的影响,将自行设计的旋转磁场引入到激光成形系统中,并进行了钛合金沉积成形实验。考察了不同磁场参数下试样的宏观形貌和微观组织,测量了激光沉积层的显微硬度。结果显示:磁场引起激光熔池的强烈对流,使单道沉积层的表面呈现下凹状;且在一定范围内,磁场搅拌速率越快,沉积层α片层组织越细密,硬度越大,可达440HV0.1。表明旋转磁场加剧了熔池的对流,从而加快了其冷却速度,细化了沉积层内的片层组织,并提高沉积层的力学性能。

激光沉积成形工艺参数对熔池温度及成形尺寸的影响

采用红外测温仪实时跟踪测量方法实现了钛合金激光沉积成形熔池温度的测量,研究了不同激光功率、扫描速度和送粉速度以及不同扫描路径对熔池区域温度和成形宽度、高度的影响规律。结果表明,随着激光功率和送粉速度的增大,熔池温度升高,成形高度、宽度变大;随着扫描速度的增加,熔池温度下降,成形高度、宽度变小;扫描路径不同会产生不同的温度梯度,温度梯度的不同会直接影响成形件高度;并从能量输入角度分析了熔池区域温度和成形宽度、高度的变化原因。为通过实时红外检测熔池温度调控工艺参数和优选扫描路径来提高成形质量提供了指导依据。

工艺参数对钛合金激光沉积成形质量影响的研究

在激光沉积成形中,为了保证试件的成形质量,其关键因素是找出相互匹配的工艺参数。利用多组对比试验,通过分别改变激光功率、扫描速度、送粉速率和扫描间距来探究工艺参数对沉积表面成形质量的影响规律,并根据规律总结出工艺参数与粉末熔化率的关系公式,推算出了一系列相互匹配的工艺参数。

基于单点熔覆的TC4合金激光沉积成形试验

为了研究激光沉积成形对TC4钛合金组织和质量的影响,进行了基于单点熔覆沉积成形熔池凝固试验。对激光熔池的形貌和微观组织进行了研究,并对微观组织进行了成分偏析和显微硬度的检测。结果表明,熔凝组织呈典型的快速凝固现象,不存在微观组织元素偏析,晶粒主要由柱状晶组成,随功率增大,有向等轴晶转化趋势;较高的激光功率或较长扫描时间是形成良好成形组织的基础,晶粒生长大小受温度影响较大,生长方向则由温度梯度影响;熔凝组织硬度高于基体,而随功率或扫描时间增加,熔凝组织硬度减小。

TC4合金激光沉积成形熔池凝固试验研究

为了研究激光线能量密度对TC4合金激光沉积成形组织和质量的影响,进行了成形熔池凝固试验研究。建立了成形过程温度场瞬态有限元数值模型,模拟了TC4合金成形过程的温度场演变过程,并进行了单道单层的成形试验与微观组织的检测。结果表明,良好沉积成形的基本条件是激光功率与扫描速度综合作用的结果,合理的激光线能量密度是良好成形的保证,过小的激光线能量密度不能形成有效熔池,过大又发生过烧现象;随线能量密度增大,由针状晶胞向粒状晶转变,晶粒变得细小均匀,长度变小、宽度增大,当超出合理参数范围,晶胞反而变得粗大;通过试验验证,证明了仿真分析与实际情况基本吻合。

基板预热对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为降低沉积过程的热应力,抑制成形过程中裂缝的产生,研究基板预热对激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping,LMDS)过程热应力的影响具有非常重要的意义。根据有限元分析中的'单元生死'思想,利用APDL(ANSYS parametric design language)编程建立多道多层激光金属沉积成形过程的数值模拟模型,深入探讨基板未预热和预热到400℃时对成形过程热应力的影响。计算结果表明,基板预热到400℃可以显著降低成形过程中试样的热应力变化波动性,试样的Von Mises热应力最大值可降低10%左右,其中x方向热应力最大值可降低8.5%左右,z方向热应力最大值可降低8.1%左右。在与模拟过程相同的条件下,利用自行研制的激光金属沉积成形设备进行了成形试验,成形试验的结果与模拟结果基本吻合。

扫描方式对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为改善金属试样的成形质量,降低沉积过程的热应力,研究不同扫描方式下激光金属沉积成形过程中热应力的动态分布规律具有非常重要的意义。根据有限元中的'单元生死'技术,通过ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)编程研究了沿长边平行往复、沿短边平行往复以及层间正交变向平行往复等填充扫描方式对整个成形过程热应力的影响,详细探讨了各种扫描方式下Von Mises热应力、x方向热应力、y方向热应力以及z方向热应力的动态分布规律,并分析热应力产生和分布的原因。在与模拟过程相同的条件下,实际成形试验所得结果与模拟结果吻合较好。

激光金属沉积成形的扫描方式

扫描方式是激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping,LMDS)制造过程中的关键技术,在分析现有扫描方式及其对成形质量和成形效率影响的基础上,指出现有扫描方式的缺陷,并提出一种基于层面轮廓优化单调区分解的分区平行扫描方式。该方式基于极值顶点可见性原理,对分层后的断面轮廓进行去除内环、非单调多边形的单调剖分等处理,可最大限度地减少分区数量,获得若干个单调子区域。针对各单调子区域采用适应性变间距平行路径填充,可减小扫描线的长度,并保证均匀致密性填充。试验表明这种扫描方式能够提高成形效率和成形质量。

激光金属沉积成形过程中温度场的数值模拟

为了降低成形过程的热应力,根据有限元方法中的"单元生死"技术,利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟,再现了成形过程中温度场的动态变化,得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明,试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布,具有明显的分层现象,熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下,实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。

基板预热温度对激光金属沉积成形零件微观组织的影响

基板预热可以显著降低激光金属沉积成形(laser metal deposition shaping,LMDS)过程的热应力,从而抑制成形过程裂缝的产生,但基板预热温度的高低对成形零件的微观组织有着重要的影响,因此研究不同基板预热温度下激光金属沉积成形零件的微观组织变化规律对基板预热温度的选择具有非常重要的意义.利用中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的激光金属沉积成形系统和基板预热系统,采用Ni60A金属粉末在基板未预热和预热到200,300,400,500和600℃时分别进行成形试验.然后利用扫描电子显微镜和能量散射谱仪对成形试件的微观组织进行深入的研究,得到不同基板预热温度对激光金属沉积成形零件微观组织的影响规律,为基板预热温度的优化选择提供了重要参考.

不同基板预热温度对激光金属沉积成形过程温度场的影响

为降低成形过程的热应力,抑制成形过程裂缝的产生,减小成形过程试样和基板的翘曲变形,激光金属沉积成形往往需要进行基板预热,因此研究不同基板预热温度对激光金属沉积成形过程温度场的影响具有非常重要的意义.根据有限元分析中的"单元生死"技术,利用APDL编程建立了基板预热对激光金属沉积成形过程温度场影响的三维多道多层数值模拟模型,详细分析了基板未预热和分别预热到200,300,400,500,600℃时对沉积成形过程温度场和温度梯度的影响.通过中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的激光金属沉积成形系统和基板预热系统,在与模拟过程相同的参数下,利用镍基合金粉末在基板未预热和分别预热到300,400,500,560℃时进行了成形试验,试验结果跟数值模拟结果吻合较好.

激光直接沉积成形增材制造技术在飞机起落架上的应用研究

激光直接沉积成形对于飞机起落架制造具有"变革性"意义,具有突破规格限制、减少原材料浪费、缩短加工制造周期等技术优点,在未来飞机起落架快速试制方面具有较为明显的技术优势及应用前景。目前已突破A-100钢激光直接沉积增材制造成形工艺、性能质量控制等关键技术,试制的起落架零件已在飞机上实现领先试用,力学性能基本达到材料锻件水平。但面向该技术的推广应用仍面临着成形工艺策略、热处理控制、无损检测、构件表面强化及综合验证等关键技术的进一步突破。

激光金属沉积成形过程热应力的数值模拟

根据有限元分析中的“单元生死”技术，利用APDL编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程热应力的三维数值模拟。模拟采用了Gauss热源模型，并引入了沿长边的平行往复扫描方式。计算结果表明，熔池区域以及试样与基板相邻区域是高热应力区，试样内部的热应力较小；试样沿厚度增加方向的热应力在沉积过程中幅值很大并且以拉伸应力为主，是导致试样产生裂缝的主要原因；沉积过程中沉积开始的位置对热应力的分布和强度影响很大，同一沉积层首道各节点热应力值几乎是末道各节点热应力值的一倍。在与模拟过程相同的条件下，实际成形试样裂缝的产生和发展规律与模拟结果相符。