离子推力器溅射沉积物防剥离放电室的设计及激光选区熔化增材制造研究

为了抑制离子推力器寿命末期由溅射沉积导致的放电室膜层剥落物脱落,首先采用理论研究和试验的方法开展了剥落物抑制放电室的设计,基于零件结构和增材制造特点开展了零件工艺性分析并提出解决方案,实现了放电室增材制造,开展了离子推力器放电室溅射物防脱落性能测试。结果表明:放电室内表面设计纹理化结构排布形式为正六边形,凸起部分外接圆直径0.5 mm,间距0.25 mm,高度0.5 mm时可降低溅射沉积物脱落概率及碎屑尺寸,通过分层旋转扫描,选择激光功率425 W,扫描速度1200 mm/s工艺参数可实现大尺寸薄壁、具有复杂微小特征钛合金回转体制造,通过结构拓扑,镂空点阵结构、工艺参数和空间摆放位置优化,成型零件壁厚一致性偏差小于0.10 mm。放电室优化前后推力器性能稳定,各工作点关键参数相对误差小于4%。本文的研究为离子推力器放电室溅射沉积物脱落抑制方法和复杂结构的激光选区熔化增材制造成型提供了工程应用方案。

激光熔化沉积Al-Mg-Sc-Zr合金单熔道成形质量预测

本研究探讨了激光熔化沉积(LMD)工艺参数对Al-Mg-Sc-Zr合金单熔道成形质量的影响,并采用BP神经网络模型和改进的PSO-BP神经网络模型预测了不同工艺参数下的成形孔隙率。结果表明:Al-Mg-Sc-Zr合金的LMD单熔道成形孔隙率,随着激光线能量密度的增加呈现先上升后下降再上升的趋势,在175 J/mm^(2)时孔隙率达到最小值,仅为1.38%。在相同的送粉工艺参数下,LMD成形熔道宽度和熔道深度均与激光功率呈现出正相关性,而熔道高度和熔道深度均与扫描速率呈现出负相关性。相较于BP神经网络模型,改进的PSO-BP神经网络模型的平均绝对误差降低了29.69%,平均相对误差降低了19.42%,均方误差降低了19.02%,相关系数提升了63.44%。

退火温度对激光熔化沉积TC31高温钛合金组织与性能的影响

为改善激光熔化沉积TC31高温钛合金力学性能,本文通过光学显微镜、SEM、TEM和力学性能测试的方法研究了退火温度对合金中组织演化行为的影响,及其与合金室温和650℃高温力学性能的关系。结果表明:组织中初生α相含量随着退火温度升高而降低,其溶解主要发生在950℃以上,980℃退火后含量仅为29%。当退火温度超过930℃时,初生α相片层宽度明显增加。随着退火温度升高,α/β界面处析出的(Ti,Zr)6Si3相尺寸增加,且进入α相片层内部。合金在800~1000℃退火时,合金室温拉伸屈服强度随退火温度升高趋于降低。受相界面析出的硅化物聚合长大及α相片层尺寸增加等因素影响,合金高温屈服强度随退火温度升高先降低后增加。合金经过1000℃退火后,呈现良好的高温性能,其650℃下抗拉强度达657 MPa、屈服强度约为466 MPa、延伸率27%。

激光熔化沉积Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金的组织与性能

本工作通过激光熔化沉积技术制备了Al_(x)CoCrFeNi(x=0,0.3,0.5)系高熵合金,并研究了Al的添加对激光熔化沉积CoCrFeNi合金的物相结构、组织形貌及性能的影响规律。研究结果表明:Al_(0)与Al_(0.3)高熵合金的微观结构为单相FCC结构固溶体,而Al_(0.5)高熵合金的微观结构为在FCC相基底的晶界/枝晶界处析出富集Al、Ni原子的B2相。合金样品的拉伸力学性能表明:Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的屈服强度达到了原合金的2.66倍(140~372 MPa),抗拉强度达到约716 MPa,延伸率约为40%;电化学极化曲线分析表明,Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金在1 mol/L的H_(2)SO_(4)溶液中均具有显著的稳定钝化区,Al添加引起的致钝电流和维钝电流随着Al含量的增加呈现先减小后增大的趋势。

激光熔化沉积30CrNi2MoVA温度场数值模拟研究

30CrNi2MoVA钢被广泛用于军工炮管制备,由于工作环境恶劣,其零件表面易出现磨损、裂纹等损伤,常采用激光熔化沉积技术(laser melting deposition,LMD)完成表面修复工作。LMD过程中的热行为决定了材料组织演变从而影响零件的表面质量及力学性能。基于ABAQUS搭建LMD过程30CrNi2MoVA钢的温度场有限元模型。研究LMD过程中温度场的分布以及加工工艺参数对温度场的影响,分析了薄壁件沉积过程中的热历史及传热特征,并设计了相关实验验证模型的适用性。结果表明:LMD温度场沿扫描方向呈对称分布,激光功率每增大100 W,熔池最高温度增加约40℃,扫描速度则相反。随着沉积层数上升,热积累效应增大,熔池峰值温度升高,冷却速度降低。

激光熔化沉积H13钢微观组织及力学性能研究

激光熔化沉积技术在模具修复行业有着巨大应用前景,而沉积部件的微观组织和力学性能随激光参数变化的规律对模具修复工艺窗口的选择具有重要意义。采用激光熔化沉积技术制备了H13钢,研究了不同激光功率和扫描速度下H13钢沉积层微观组织演变及其对力学性能的影响。结果表明,激光功率一定时,随着扫描速度由400 mm/min增加到600 mm/min,马氏体尺寸细化,含量增加,沉积层的硬度提高约3%、塑性降低约1%,而强度先增加后减少;缺陷增多导致其与基体的结合强度下降约20%。扫描速度一定时,随着激光功率由1800 W增加到2200 W,马氏体尺寸增大、含量减少,沉积层硬度降低约5%,强度和塑性分别提高约34%和2%;同时缺陷减少使得结合强度提高约58%。

激光熔化沉积钛合金-高熵合金梯度材料组织演变研究

目的研究钛合金-高熵合金梯度材料不同位置沉积层的微观组织形貌及力学性能演变规律。方法采用激光熔化沉积的工艺制备了钛合金-高熵合金梯度材料,并建立了有限元仿真模型来辅助分析。研究对象为TA15基板上单道多层的梯度沉积层,在设计梯度材料成分时,相邻梯度的材料比例变化量为10%(质量分数),TA15钛合金的质量分数由100%逐渐降低至0%,AlNbTiVZr的质量分数逐渐增大。基于实验对有限元模型进行了一定程度的简化处理,通过热物性参数计算软件和经验公式获取了梯度成分材料的热物性参数,进行了单层单道激光熔化沉积实验以完成热源校核,在与实验相同的工艺参数下计算了温度场并进行了分析。结果在一层一冷的冷却策略下,多层沉积仍存在一定的热累积现象,沉积15层后,沉积层中部的温度峰值基本保持在2489℃,根据循环曲线,沉积层中部的重熔范围超过1/2。结论随着高熵合金含量的增加,组织由细小等轴晶、胞状晶和柱状晶转变为多边形晶粒,V、Nb等β稳定元素的增加和Al等α稳定元素的减少抑制了组织中针状α相的形成,V、Nb等元素在晶界产生了明显偏析现象并逐渐增多,抑制了晶粒生长且增强了细晶强化作用,显微硬度随之增大。

激光熔化沉积稀释率对重熔行为与致密度的影响

由于激光熔化沉积(Laser melting deposition,LMD)制造的零件存在气孔、熔合不良、微裂纹、杂质等固有缺陷,其疲劳力学性能一般低于传统工艺制造的零件。为了减少LMD零件中的缺陷,研究激光熔化沉积过程中缺陷形成与控制机理是十分必要的。本研究利用三维有限元模拟结合显微观察法分析阐明了激光熔化沉积过程中单道稀释率对重熔行为与沉积零件致密度的影响。首先测量了不同工艺参数下LMD零件的致密度,建立了单道沉积面能量密度与零件致密度的拟合曲线;然后研究了工艺参数对单道沉积几何特征的影响规律,以及单道沉积稀释率对零件沉积过程中重熔行为的影响;最后建立了单道沉积稀释率与零件致密度的拟合曲线,并发现其拟合度更高。本研究对激光熔化沉积过程中零件致密度控制具有一定的指导意义。

激光熔化沉积制造翅片热管管壳

为了提高核电热管的散热效率,采用激光熔化沉积技术在316热管的冷凝段管壳上制造了316散热翅片。用扫描电镜(SEM)观察了热管及翅片的显微组织,用能谱仪(EDS)进行元素分析,并测试了显微硬度和散热性。结果表明,激光熔化沉积的316翅片外形精度符合要求;翅片的平均硬度为280.92 HV0.5,比不锈钢管的平均硬度(209.9HV0.5)高33.8%,且硬度均匀性好;翅片热管的低温效率提高了16.7%,高温散热效率提高了32.9%。翅片晶粒主要有2种结构:等轴晶粒,柱状或枝晶状晶粒;翅片硬度提高的主要原因是细晶强化和位错强化;基材与翅片之间、翅片每层之间结合良好,精度高,是热交换量增大的保证。

激光熔化沉积原位制备三维网状Ti6Al4V基复合材料的组织与力学性能

基于激光熔化沉积的快速熔化/凝固原理,在Ti6Al4V基体内原位自生出一种准连续网状组织结构,分别合成相同体积分数增强体增强的(TiB+TiC)/Ti6Al4V、Ti_(5)Si_(3)+TiC)/Ti6Al4V和TiC/Ti6Al4V三类钛基复合材料,对比分析基体和复合材料的显微组织、硬度和拉伸性能。结果表明:基体合金和复合材料组织均出现大小不一的柱状晶和等轴晶,晶内分布有板条状α相;(TiB+TiC)/Ti6Al4V材料的增强体分布在晶界,形成三维准连续网状结构;在Ti 5Si_(3)和TiC增强的钛基复合材料中,多元增强体细化晶粒,大幅度提高了复合材料的硬度和拉伸性能;(TiB+TiC)/Ti6Al4V材料的硬度、屈服强度和抗拉强度较基体分别提高了10.7%、21.8%、16.1%,但其伸长率较低,断口表现为脆性断裂;Ti_(5)Si_(3)+TiC)/Ti6Al4V材料的抗拉强度和伸长率分别为1163.6 MPa和8.33%,呈现出优异的强塑性匹配。

超高速激光熔化扫描速度对Al-Mg-Sc高强铝合金性能的影响

为了明确超高速激光熔化沉积Al-Mg-Sc高强铝合金的沉积态组织及力学性能特征,以7075铝合金为基体,采用自主开发的LDF3000-40型激光熔化沉积设备制备Al-Mg-Sc高强铝合金,探究激光扫描速度对材料微观组织与室温拉伸性能的影响。结果表明:超高速激光熔化沉积样品均无明显裂纹,但含有少量小尺寸气孔。沉积态组织由细小的α-Al等轴晶及弥散分布的Al_(3)(Sc,Zr)颗粒构成。利用数值模拟进一步研究扫描速度对力学性能的影响,发现在0.1~1 m/s范围内,较高的激光扫描速度能减少粉末材料的堆积,降低沉积层表面的孔隙率,因此可以提高力学性能。沉积态样品最大抗拉强度为303 MPa,断裂伸长率为22.5%。

热处理对激光熔化沉积18Ni300马氏体时效钢微观组织和力学性能的影响

目的提高18Ni300马氏体时效钢在工业应用中的力学性能,研究不同热处理对激光熔覆制备18Ni300合金的影响。方法采用固溶处理(840℃/1 h)和固溶处理(840℃/1 h)+时效处理(490℃/6 h)2种热处理方法,利用扫描电子显微镜、X射线衍射仪和拉伸试验机对激光熔化沉积(LMD)制备18Ni300合金的微观组织、力学性能进行研究,根据不同处理方法下的拉伸断口形貌、性能表征及元素偏析行为,分析热处理对力学性能的影响。结果经固溶处理后,熔池边界消失,在高温保温过程中杂质相与合金元素充分溶解在奥氏体中,冷却后形成了均匀的马氏体组织,与沉积态相比,抗拉强度由662.1 MPa变为611.5 MPa,降低了约7.64%,伸长率由12.328%变为13.832%,提升了约12.20%;经固溶+时效处理后枝晶形貌基本消失,各元素分布均匀,并在基体中弥散分布着Ni_(3)Mo、Ni_(3)Ti型第二相沉淀,抗拉强度达到1404.6 MPa,提升了约112.14%,伸长率为7.80%,降低了约36.72%,在断口中观察到亚微米级第二相沉淀呈球状或颗粒状,并大量分布于枝晶间。结论沉积态18Ni300合金主要由马氏体和少量奥氏体组成,致密度良好,拉伸性能表现为强度较低但塑性良好;经固溶处理后,物相均由马氏体组成,元素分布均匀,抗拉强度略微下降,塑性提升;固溶+时效处理对合金起到了弥散强化的作用,抗拉强度大幅提升,塑性显著减弱。在热处理前后试样的断裂机制均属于韧性断裂,第二相弥散强化为热处理后合金力学性能提升的主要原因。

激光熔化沉积成形Cu-Al-Mn-Ti形状记忆合金组织与性能研究

采用激光熔化沉积(laser melting deposition,LMD)成形Cu-Al-Mn-Ti形状记忆合金,研究其组织、冶金缺陷与性能特点。研究表明,LMD成形Cu-Al-Mn-Ti合金的显微组织具有各向异性特征:建造面为柱状晶组织,扫描面为等轴晶组织。这是由于LMD成形过程沉积方向存在较大的温度梯度导致的。LMD成形Cu-Al-Mn-Ti合金的基体组织为β相板条马氏体,并存在大量Cu2AlMn颗粒状析出相。孔隙缺陷是LMD成形Cu-Al-Mn-Ti合金中主要的冶金缺陷,严重影响了合金的力学性能。热处理可提高LMD成形Cu-Al-Mn-Ti合金的力学性能及形状记忆性能。固溶、时效处理后,LMD成形Cu-Al-Mn-Ti合金的抗拉强度可由453.6 MPa提高至519.5 MPa,形状回复率可由68%提高至97%;当时效温度为500℃时,在晶界上开始析出网状α相导致Cu基体中的Al含量增加,使合金的力学性能和形状回复率下降。

激光熔化沉积制备Ti6Al4V合金的微观组织与硬度性能研究

Ti6Al4V合金广泛应用于航天航空领域多种重要部件的制造,然而其硬度低,仅为高强度钢硬度的60%~70%,严重制约了其推广应用。本工作采用激光熔化沉积技术制备Ti6Al4V合金样品,分析了激光工艺参数对单道熔覆层物相组成、微观组织及显微硬度的影响。物相分析结果表明,柱状晶内部主要由针状α’相组成,β相含量较少;组织尺寸分析结果表明,相较于高能量输入,在低能量输入下针状α’相马氏体组织会更加细小;结合组织尺寸和硬度检测结果分析,硬度性能受针状α’相尺寸影响,随扫描速度的增加或激光功率的减小硬度性能呈现增大趋势,在1200~1600 W的功率范围内,硬度性能不仅受组织尺寸影响,还受气孔缺陷的影响,由于气孔缺陷的产生进一步降低致密度导致硬度性能大幅度下降。在本工作所采用的工艺参数中,在激光功率为1200 W、扫描速度为15 mm/s时得到的试样有最大硬度值415HV,硬度相比Ti6Al4V合金基板提升了27.59%。

基于分形曲线的分区扫描策略对激光熔化沉积基板变形的影响

目的研究新型扫描策略,减小激光熔化沉积过程中基材的变形。方法首先,采用分形曲线作为全域扫描策略,通过激光熔化沉积试验研究了1种传统扫描策略与3种分形扫描策略的基板变形。其次,提出将分形扫描策略和分区扫描策略相结合,按照分形曲线的走向扫描各个分区,形成基于分形曲线的分区扫描策略,通过激光熔化沉积试验研究了1种传统分区扫描策略与3种基于分形曲线的分区扫描策略的基板变形。结果无论是全域扫描还是分区扫描,基板的4条边均发生了竖直向上的翘曲变形。在扫描路径的终点附近,基板的变形量最大。全域扫描策略下,基板的最大变形量分别为:光栅式扫描7.5mm,Peano曲线3.3 mm,Sierpinski曲线2.5 mm,Lebesgue曲线3.8 mm。分区扫描策略下,基板的最大变形量分别为:光栅式顺序7.5 mm,Hilbert曲线顺序3.5 mm,Sierpinski曲线顺序3.2 mm,Lebesgue曲线顺序5.4 mm。结论基于分形曲线的分区扫描策略可以显著减小基板变形,还可以灵活地调节扫描线段的方向和数量,在综合考虑扫描线设计的灵活性和变形量的情况下,基于Sierpinski曲线的分区扫描策略为最优策略。

激光熔化沉积Cu-Fe合金的液相分离组织及力学性能研究

难混溶合金由于亚稳难混溶间隙的存在,在制备过程中极易产生偏析甚至分层现象,严重影响材料的使用性能。激光熔化沉积小熔池无宏观偏析的特点,为制备均质难混溶合金提供了潜在途径。本文选取典型难混溶Cu-Fe合金作为研究对象,采用激光熔化沉积制备了薄壁状Cu_(35)Fe_(65)难混溶合金,研究了合金的物相组成、微观组织形貌与力学性能。结果表明:合金由体心立方(bcc)结构的α-Fe相与面心立方(fcc)结构的Cu相组成;合金呈现典型的液相分离形貌,由网络状Cu相与块状α-Fe相构成,α-Fe相平均直径为8μm;合金屈服强度为397 MPa,抗拉强度为484 MPa,延伸率为16.5%,断裂方式主要为韧性断裂;合金的导电率为19%IACS,较高的α-Fe相体积分数可能是影响合金电阻率的主要因素。本研究表明,激光熔化沉积技术有望成为高性能难混溶合金的有效制备方式。

激光功率对激光熔化沉积CoCrNi中熵合金组织及性能的影响

采用激光熔化沉积工艺制备了CoCrNi中熵合金,研究了激光功率对组织及性能的影响。结果表明,当功率为800~1600 W时,沉积层与基体冶金结合良好,熔合线清晰可见。沿沉积层建筑方向组织依次为平面晶、柱状晶和等轴晶。随着功率升高,沉积层宽度增大,显微组织粗化,显微硬度逐渐降低。激光功率P=800 W时,性能最优,沉积层熔合区、中部和顶部的平均显微硬度分别为393、435和496 HV。

激光选区熔化沉积修复ZL101A航空铸铝零件的性能分析

为研究激光选区熔化修复ZL101A合金零件的性能,在不同工艺参数和热处理条件下沉积成形模拟试样。利用电子拉伸试验机、光学显微镜和扫描电镜观察对试样的拉伸性能、金相组织和断口形貌进行分析。结果表明:T6热处理可以提升拉伸试样的屈服强度和抗拉强度;在金属粉末粒度100~150目、吸光涂层厚度0.2mm、送粉速度10g/s、功率1600W和扫描速度8mm/s的激光选区熔化沉积工艺条件下得到的强度指标最高,T6热处理条件下平均抗拉强度为196.8MPa,达到基材的85.6%,可满足一般航空铸件的修复要求;AlSi10Mg沉积组织由白色α固溶体和灰色共晶相构成,热处理后强化相的固溶效果更加完全,共晶相更加圆整化,白色的α固溶体颜色变灰。激光选区熔化沉积试样均为塑性断裂,断口特征均呈现为韧窝和撕裂棱构成,异常断裂的拉伸件断口分布有较多气孔。

变截面薄壁空心弯扭结构件激光熔化沉积成形工艺与精度研究

基于光内送粉激光熔化沉积(laser melting deposition,LMD)技术,研究变截面薄壁空心弯扭结构件的成形工艺。针对该类复杂结构件成形轨迹规划的难点,提出空间轨迹单元离散分层法对结构件进行分层并生成离散沉积单元,按设计的路径进行每个离散沉积单元的沉积。针对在实际成形过程中由于机械臂采用线段单元拟合的方式实现光滑曲线运动导致的误差,提出空间变姿态基点偏移补偿技术,对成形过程中实际姿态变化基点的位置偏移进行补偿,以此实现对尺寸误差的有效控制。最终实现变截面薄壁空心弯扭结构件的激光熔化沉积成形,成形所得结构件尺寸精度较高,形状尺寸误差在-0.44%~1.83%之间,结构件平均厚度在5.9~6.19 mm之间,结构件显微硬度在269~282.2 HV之间,结构件表面和内部皆致密均匀,无明显的气孔、裂缝等缺陷。

石墨烯对激光熔化沉积TC4钛合金组织与力学性能的影响

以TC4钛合金为基体,研究了添加石墨烯对激光熔化沉积钛合金组织与力学性能的影响。结果表明,添加石墨烯使沉积试样晶粒明显细化,激光熔化沉积的石墨烯增强钛基(Ti-Gr)复合材料中石墨烯与Ti基体间形成Ti C界面反应层,这有利于发挥载荷传递作用。Ti-Gr复合材料平均显微硬度、抗拉强度和屈服强度分别达到434 HV、1249MPa和1225 MPa,较相同条件沉积的钛合金有明显提高。