热处理对激光粉末床熔融AlSi10Mg合金热物理性能的影响

采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)法成功制备AlSi10Mg合金样品,研究130℃/4 h时效处理、236℃/10 h退火处理和540℃/1 h固溶处理三种热处理工艺对AlSi10Mg合金样品的微观组织的影响,以及热处理后AlSi10Mg合金在室温~400℃的温度范围内热膨胀系数和热导率演变规律。结果表明:时效处理后铝基体中析出球状的Si颗粒,仍然保留完整的网状共晶硅组织;退火后,网状共晶硅完全消失,球化Si颗粒均匀分布在基体中;固溶处理后出现大的块状Si颗粒,尺寸在1~3μm;经过热处理之后AlSi10Mg合金的热物理性能均优于打印态。退火处理后的合金样品在室温到400℃的热膨胀系数为1.64×10^(−5)~2.1×10^(−5)℃^(−1),平均热导率为179.6 W·m^(−1)·K^(−1),性能优于时效处理和固溶处理。

固溶及时效温度对激光粉末床熔融WE43镁合金组织与力学性能的影响

激光粉末床熔融(LPBF)制备WE43镁合金材料,虽然可以快速成形复杂形状零件,但不均匀的残余应力和孔隙率,限制了LPBF镁合金的力学性能。后期热处理是解决该问题的有效方法之一。研究了两种热处理工艺对LPBF制备的WE43镁合金力学性能和微观组织的影响。结果表明:经425和525℃固溶和200和250℃时效处理后,六方晶粒织构的基面开始趋于平行沉积平面,取向开始显现。随着固溶与时效温度的升高,合金的晶粒开始重组、尺寸增大,室温抗拉强度降低,200℃原位拉伸时的抗拉强度更低,塑性逐渐增强。合金的室温拉伸断口形貌呈现脆性与韧性混合断裂特征,200℃原位拉伸断口呈现韧性断裂特征。

激光粉末床熔融WC-12Co硬质合金温度场模拟

结合有限元软件ANSYS建立三维有限元热模型,利用APDL命令及生死单元方法实现对高斯热源的施加和WC-12Co硬质合金打印过程的模拟,得到WC-12Co硬质合金在激光粉末床熔融(LPBF)成形过程中的温度场分布,研究不同工艺参数(激光功率、扫描速度)对温度场分布及熔池特征的影响。结果表明:WC-12Co硬质合金在LPBF过程成形时,利用有限元能够有效模拟其成形过程。位于热源前部的等温线比尾部更为密集,温度梯度更大;而扫描路径终端边缘处熔池中心的温度最高。随着激光功率的增大和扫描速度的减小,熔池宽度、深度和长度均相应增大。通过相关实验分析不同工艺参数对晶粒尺寸的影响,发现晶粒尺寸随扫描速度的增加而减小,随激光功率的增加而增大;但过高的激光功率会引起一定的热裂纹现象发生。

激光粉末床熔融成形金刚石增强铝基复合材料

添加质量分数3%金刚石颗粒并利用激光粉末床熔融技术制备6061铝基复合材料。采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、电子密度计、电子式万能试验机对3%金刚石/6061铝基复合材料的微观组织、相对密度和拉伸性能进行了表征与分析。结果表明:金刚石与Al基体反应生成了针状Al4C3相,并沉积在α-Al基体上,导致晶界位错密度增加,强度提高,抗失效能力增强。金刚石的添加促使6061铝基体中热裂纹消失,但存在孔洞缺陷。较低的扫描速度增加了激光光斑与被加工材料接触的时间,导致金刚石颗粒部分石墨化,铝基体部分蒸发,进而形成内部缺陷,降低了复合材料的相对密度(97%)。金刚石的加入显著提高了激光粉末床熔融技术成形金刚石/6061铝基复合材料的抗拉强度,当激光功率为350 W、扫描速度为800 mm·s-1时,复合材料的极限抗拉强度达到最大值244.2 MPa,屈服强度211.6 MPa,伸长率2.1%。

低温退火对激光粉末床熔融成形René104Sc镍基高温合金显微组织和残余应力的影响

增材制造残余应力会导致成形件发生变形甚至开裂,严重降低力学性能。本文系统观察和分析激光粉末床熔融成形René104Sc镍基高温合金在低温退火过程中显微组织的演变及其对残余应力的影响。结果表明:成形态合金经过退火处理后,胞状组织消失,织构强度降低,显微组织更加均匀,残余应力得到释放。其中,500和600℃退火后,显微组织未发生明显变化,残余应力略微降低;800℃退火后,合金样品中心的残余应力由63 MPa下降至21 MPa,析出大量γ′相,合金发生脆断,伸长率从(25.2±2.6)%下降至(4.7±1.6)%;700℃退火后,合金发生部分再结晶,样品中心的残余压应力由成形态的63 MPa下降至29MPa,综合力学性能最优,硬度(HV_(0.3))和抗拉强度分别为499±4和(1 461±7) MPa,比成形态(423±9,(935±25) MPa)分别提高18%和56%。这一研究结果为消除增材制造镍基高温合金部件的残余应力,防止在存放或后续热处理过程中开裂提供了一条有效途径。

激光功率对激光粉末床熔融成形Fe–Mn–Al–Ni–C轻质钢组织及性能的影响

设计了Fe–30Mn–11Al–12Ni–1C轻质合金钢成分,研究了激光功率对激光粉末床熔融成形轻质钢组织及性能的影响。结果表明,在扫描速度一定的情况下,随着激光功率的增加,激光粉末床熔融成形轻质钢试样的相对密度逐渐增大,激光功率在120 W时,成形样品相对密度最高,达到99.2%。不同激光功率下成形试样在平行于构筑方向的平面(XOY)上均出现未熔合区域,垂直于构筑方向的平面(XOZ)出现裂纹。XOY观察面与XOZ观察面的缺陷类型不同,体现在以下方面:XOY面存在大量未熔合孔隙、球状粉末以及较大的孔洞,且随着激光功率的增加,未熔合的缺陷和孔洞面积逐渐减少,球状粉末消失;XOZ面缺陷主要是孔洞和裂纹,随着激光功率的上升,孔洞逐渐减少,但裂纹宽度增加。试样硬度呈现出各向异性,且各向异性随着激光功率的提高逐渐减小。试样XOZ面硬度随激光功率的变化不明显,但高于XOY面;XOY面由于激光功率提高降低了缺陷的影响,因此显微硬度变化较大。当激光功率为120 W时,试样XOZ面硬度达到最大值HV0.2441.3。激光功率90 W、扫描速度800 mm·s^(-1),成形的轻质钢试样抗拉强度达到最大值,为826.2 MPa。试样晶界处存在大量析出相,导致其延伸率较低,因此激光粉末床熔融成形轻质钢的塑性较差。

激光粉末床熔融成形高性能Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的显微组织演变及力学性能

系统研究时效温度对激光粉末床熔融成形Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金显微组织及力学性能的影响。结果表明,成形态合金组织致密且无裂纹,平均晶粒尺寸为3.51μm,屈服强度为(547±3)MPa。经300℃时效后,合金组织中析出大量尺寸为2~3 nm且与基体共格的Al3Sc纳米颗粒。时效样品的屈服强度提升至(616±4)MPa,这得益于合金中的析出强化、固溶强化和晶界强化。当时效温度超过300℃时,部分Mn和Zr从固溶体中析出,形成Al6Mn和Al3(Sc,Zr)相。经500℃时效后,合金中Al6Mn相和Al3(Sc,Zr)相分别粗化至约600和30nm。此,合金的屈服强度下降至(372±3) MPa。

块体铁基非晶合金的激光粉末床熔融成形工艺研究

大块复杂结构铁基非晶合金成形条件较为苛刻。采用正交试验法研究了激光功率、扫描速率及扫描间距等工艺参数对Fe_(55)Cr_(25)Mo_(16)C_(2)B_(2)铁基非晶合金成形质量的影响,获得了优化的工艺参数,探究了激光粉末床熔融成形铁基非晶合金的裂纹产生机制,测试了不同工艺参数成形铁基非晶合金的显微硬度、非晶率、压缩性能及断口微观形貌。结果表明,采用最佳成形工艺参数制备的Fe_(55)Cr_(25)Mo_(16)C_(2)B_(2)非晶合金具有高显微硬度,但仍存在孔隙、裂纹缺陷及晶化现象。

激光粉末床熔融M2052合金成形特性及组织性能研究

M2052合金能够吸收外部振动能量,实现对机械系统减振降噪。利用激光粉末床熔融制备M2052合金有望满足航空航天精密设备的服役需求。本研究系统探究了M2052合金的基础成形工艺特性,揭示其缺陷形成原因,分析其显微组织和物相组成并在此基础上对拉伸性能进行评价。结果表明,激光粉末床熔融M2052合金成形工艺窗口极窄,欠熔合的产生归因于激光输入能量不足,裂纹的产生与不当的工艺参数组合有关。沉积态合金呈现出精细的胞状枝晶微观结构及柱状晶生长趋势,具有明显的[100]晶粒取向,并形成了单一γ-(Mn,Cu)固溶体。室温拉伸的屈服强度为(345±5)MPa、抗拉强度为(404±2)MPa、伸长率为5.21%±0.57%,表现出脆性断裂特征,大量微裂纹和孔洞形成是M2052合金脆性断裂的主要原因。

激光粉末床熔融成形Ti60合金的工艺优化和组织性能研究

Ti60合金具有较高的比强度且能长时间在600℃高温条件下服役,利用激光粉末床熔融(LPBF)技术成形Ti60合金有望满足航空航天等领域关键构件耐高温和轻量化的需求。系统研究了工艺参数对LPBF成形Ti60合金致密度、显微组织和显微硬度的影响规律,并在此基础上对其室温拉伸和高温拉伸性能进行评价。结果表明,LPBF成形Ti60合金的显微组织主要为细针状α′马氏体,这种组织的平均厚度与体能量密度大小呈负相关性。LPBF成形Ti60合金室温条件下的屈服强度为1164 MPa、抗拉强度为1321 MPa,伸长率为2.5%,600℃高温拉伸条件下屈服强度为532 MPa、抗拉强度为889 MPa,伸长率为16%。

激光粉末床熔融纯钼组织及性能研究

钼作为一种难熔金属,由于其具有良好的高温力学性能和低膨胀系数而被广泛应用于核工业及航空航天。使用激光粉末床熔融(LPBF)制备的纯钼有着显著的设计优势和工业生产效率。为了提高LPBF生产效率,通过工艺优化,获得了30μm层厚选区激光熔化技术的最优工艺参数,制备出致密度为99.2%的无裂纹纯钼样品。经过XRD和EBSD表征发现,不同参数下纯钼样品均存在择优取向以及不同程度的晶格畸变,样品侧面织构强度大于底面。最优样品硬度为206HV,单向压缩强度和伸长率分别为566MPa和20.7%。该研究为LPBF制备30μm层厚的无裂纹且性能优异的纯钼构件奠定了基础。

激光粉末床熔融的熔道宽度与熔池温度的预测:一种新型数值模拟模型的提出与验证

为了减少预测激光粉末床熔融熔道宽度与熔池峰值温度所需的计算资源,本研究提出了一种精度高、计算资源消耗少、对常见合金材料适用的数值模拟模型。在保证模拟精度的情况下,采用此模型可以使计算成本降低2个数量级,对于Ti6Al4V合金、AlSi10Mg合金、316L合金和In 718合金,本模型对熔道宽度、熔池峰值温度的预测值的平均相对误差值±标准差值分别为4.8%±3.1%和7.9%±3.6%,说明模型预测值与实验值较为吻合。本研究提出的模型在保证较高模拟精度的情况下,可以大大降低激光粉末床熔融数值模拟的计算成本,具有很强的实用价值。

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。

激光粉末床熔融温度场模拟研究

激光粉末床熔融具有不受结构限制、近净成形和效率高等优点,广泛应用于航空航天、医疗以及核电领域。其成形过程中涉及多种复杂的且对构件质量有较大影响的物理现象,对材料加工参数的探索建立在高成本和低效率的大量的试错实验上。为了解决上述问题,提出了一种介观尺度物理模型,联合使用EDEM、Gambit以及FLOW-3D软件对激光粉末床熔融成形过程中离散粉末床和粉末熔融进行介观尺度温度场模拟,探究扫描速率对温度场的影响规律、熔池形貌和尺寸的影响,阐明了温度场演变规律。结果表明:激光功率P=215 W下,扫描速率V=900 mm·s^(-1)为最优工艺参数,熔道较为平直均匀,颈缩和球化缺陷最不明显,成形过程中未发生飞溅和过熔等对构件质量产生不利影响的现象。采用实验对模型进行验证,得到了良好的一致性。模拟结果可为激光粉末床熔融成形过程中工艺参数的探索提供一定的理论支撑。

激光粉末床熔融修复定向DZ125合金数值模拟与实验研究

激光粉末床熔融(laser powder bed fusion,LPBF)技术具有成形柔性高、无需模具、快速制造等优点,特别适合于结构复杂、精密度高的航空发动机叶片修复工作,但仅通过实验方法难以高效准确地揭示多尺度多物理场耦合的LPBF过程中冶金缺陷和微观组织演变规律。利用有限体积法和元胞自动机模型分别模拟粉末床熔池形态演变与微观组织形成过程,结合实验观察,揭示不同打印参数下合金冶金缺陷和晶粒生长的演变规律。结果表明:LPBF修复过程中,能量密度显著影响熔池形貌,当能量密度小于87.9 J/mm^(3)时粉末颗粒熔化不完全,伴随有孔洞和熔合不良等缺陷形成,而当能量密度大于137.4 J/mm^(3)时,熔池凝固表面平整度明显降低。增加能量密度同时增强熔池水平方向热流干扰,晶体受到剪切力的影响进而导致与基体更大的取向差。此外,激光功率也显著影响着合金微观组织,随着激光功率的增加温度梯度逐渐减小,较低的温度梯度促进过冷液体区域形成,进而促进新晶核的形成,激光功率由150 W增加到250 W时,外延生长晶粒由柱状晶转变为大量杂晶。基于数值模拟方法分析获得LPBF修复DZ125合金的合理工艺参数为:P=200 W,V=1000 mm/s,H=65μm,该方法有助于降低实验成本,加速LPBF修复合金合理工艺参数的获取。

激光粉末床熔融增材制造耐热铝合金的研究进展

随着航空航天工业的快速发展,人们对高性能耐热铝合金的需求逐渐增加。为了实现复杂构件的一体化成型,激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,L-PBF)增材制造技术成为目前的研究热点。相比传统铸造成型,采用激光粉末床熔融增材制造的构件具有更优异的综合性能。目前,对L-PBF增材制造传统高强韧铝合金已开展较为深入的研究,而针对耐热铝合金的研究还处于起步阶段。本综述首先介绍了激光粉末床熔融增材制造技术的特点,随后总结了近年来针对耐热铝合金体系及相应高温性能的研究,对目前存在的问题与难点进行了概括,最后对未来的主要研究方向进行了展望。

基于深度学习的激光粉末床熔融铺粉缺陷检测算法及其轻量化部署研究

激光粉末床熔融技术(Laser powder bed fusion,LPBF)在航空航天工业制造中的可重复性受到缺陷的严重影响,其中铺粉过程中的缺陷对零件质量具有重要影响。本文提出了一种基于实时语义分割算法的BiseNetV2(Bilateral segmentation network)模型和加权损失的检测方法,用于实现对铺粉缺陷的类别识别和位置分割。此外,利用模型剪枝技术来优化深度学习(Deep learning,DL)模型的尺寸和性能,并通过TensorRT技术将轻量化模型部署在监测系统中的计算机上。结果表明,结合加权损失的BiseNetV2模型能以81.23%的平均准确率检出5种铺粉缺陷。通过剪枝技术得到的轻量化模型在牺牲0.44%精度的同时模型大小显著减小了13.39%。利用TensorRT技术能加速深度学习模型推理过程,在半精度浮点(Floating-point 16,FP16)数据下将检测时间缩短至5.94 ms。

激光重熔对激光粉末床熔合制备Ti-6Al-4V合金热稳定性的影响机制研究

研究了激光重熔(LR)对激光粉末床熔合(LPBF)制备Ti-6Al-4V合金的组织性能和热稳定性的影响。结果表明,LR处理后,LRed-Ti-6Al-4V钛合金样品内α′相热稳定性显著提升,β-Ti相出现的温度点由500℃升至700℃。热处理后,LPBF-Ti-6Al-4V钛合金内晶粒持续生长,700℃以上出现明显的“短棒状”和“粗层片状”特征;而LRed-Ti-6Al-4V样品表层熔化区内晶粒仍维持等轴特征,700℃以上的熔化区和热影响区内呈现较为均匀细小的针状组织。两组样品的表面显微硬度值随温度升高而不断降低,并且分别在700℃和850℃显著下降,β-Ti晶粒的迅速粗化是引起硬度下降的主要原因。

深冷处理时间对激光粉末床熔化沉积TiC/TC4钛基复合材料组织演变及力学性能的影响

目的探明不同深冷处理时间对TiC/TC4钛基复合材料组织演变及其力学性能的影响规律,分析TiC/TC4钛基复合材料在深冷环境下的使用性能。方法利用低能球磨法得到石墨烯(GNPs)/TC4复合粉末,采用激光粉末床熔化沉积法制备TiC/TC4钛基复合材料,通过液氮浸泡法进行不同时间的深冷处理,然后恢复至室温进行拉伸试验。结果深冷处理过TiC/TC4钛基复合材料的拉伸强度均高于深冷处理过TC4合金的拉伸强度,断裂韧性却得到不同程度削弱。结论原位自生TiC的载荷传递作用可以增强TiC/TC4钛基复合材料在拉伸变形过程中的变形能力,使复合材料的拉伸强度得到提高;随深冷时间的持续延长,冷应力不仅会导致TC4合金原始细长针状马氏体断裂,还会驱使TiC/TC4钛基复合材料陶瓷增强相TiC发生不同程度的偏聚。此外,深冷处理后TiC/TC4钛基复合材料产生的晶格畸变现象会降低α-Ti基体一侧的应变值,使复合材料晶格畸变区域应变不均匀分布,弱化TiC/TC4钛基复合材料晶格畸变区域原子的变形协调能力,导致TiC/TC4钛基复合材料的断裂韧性值相对低。

激光粉末床熔融镍基高温合金开裂行为研究

增材制造专用镍基高温合金研发需要经历成分设计-制粉-打印-表征,该过程周期长、成本高,严重限制了增材制造用新型合金的快速研发和应用。针对这一问题,本文提出以激光扫描合金块体材料评价其粉末材料打印性的思路,避免成分设计过程多次制粉。以4种典型镍基高温合金(Inconel 718,Hastelloy X,CM247LC,Inconel 939)为研究对象,采用激光扫描合金粉体和块体材料,研究不同合金在激光扫描其粉体和块体过程中的开裂关联性。结果表明,裂纹敏感性低的Inconel 718合金,激光扫描粉体和块体试样中均未发现裂纹;裂纹敏感性高的CM247LC和Inconel 939合金,激光扫描粉体试样中存在由于凝固末期枝晶间液相补给不足,在热收缩拉应力下形成的凝固裂纹和热循环过程残余应力导致的固态裂纹,而激光扫描块体试样中仅存在凝固裂纹,表明两种状态试样裂纹类型不同,但开裂趋势一致;裂纹敏感性介于上述合金之间的Hastelloy X合金,激光扫描粉体试样可在一定工艺窗口范围内实现无裂纹,而激光扫描块体试样时,在本文采用的所有参数下均存在裂纹,两种状态试样开裂趋势存在差异,但均为凝固裂纹。