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。

激光定向能量沉积Al-Mg-Sc-Zr修复5083-H112铝合金的组织和性能

激光定向能量沉积增材修复技术具有时间短、效率高、成本低、力学性能好等优点,具有很大的发展潜力。采用Al-7.5Mg-0.3Sc-0.28Zr作为修复材料对轨道交通用5083-H112铝合金进行激光修复实验,得到了致密、无缺陷的修复试样,并对其组织和性能进行研究,探讨了激光修复铝合金的可行性。结果表明,熔合线附近过渡区可划分为修复区、部分熔化区、热影响区和母材。修复区为完全等轴晶,由平均晶粒尺寸为4.95μm的细晶带和18.34μm的粗晶区组成。从修复区到部分熔化区再到热影响区的过渡区域,Al元素含量逐渐升高,Mg元素含量逐渐下降,硬度逐渐下降,修复后母材未被软化。由于激光增材制造技术的快速凝固,在熔合线附近的细晶带有较大的应力集中,由于较小的热输入在部分熔化区、热影响区的残余应力较小。修复试样的屈服强度为(152±2)MPa,为母材的89.4%;抗拉强度为(305±5)MPa,为母材抗拉强度的100%;伸长率为(15.5±0.5)%,为母材的85.2%;断裂发生在强度较弱的母材。高性能的激光修复铝合金是可实现的,具有广泛的应用前景。

激光定向能量沉积技术的研究现状与应用进展

激光定向能量沉积(LDED)技术作为一种前沿增材制造技术,在材料加工和产品制造领域展现出显著优势,综述了LDED技术的发展历程、基本原理、技术特点及其在多个工业领域的应用现状。LDED技术能够有效提升材料利用率、缩短制造周期,并实现复杂零件的直接制造,尤其在航空航天、汽车制造和医疗等领域具有广泛应用前景。通过仿真分析、在线监测和闭环控制策略,LDED技术进一步提高了成形精度和产品质量。随着LDED技术的成熟和优化,该技术有望在降低成本、提升性能以及推动制造业绿色转型方面发挥更大作用。

基于固溶强化的激光定向能量沉积TiZr基高熵合金成分设计与强塑性优化

目前,部分TiZr基高熵合金由于大量脆性相的析出,呈现出强塑性难以平衡的问题,阻碍了合金作为复杂构件材料的工程应用。利用激光定向能量沉积技术基于混合元素法及非平衡快速凝固特性,实现成分设计的独特优势。通过调整TiZr基高熵合金主元成分,实现了非等原子比Ti39Zr39Nb11Mo5.5V5.5的致密成形,并获得了无金属间化合物等脆性相析出的单相固溶体合金。合金呈现出优异的塑性变形能力,其压缩应变超过了50%,而50%应变率时的压缩应力达2194 MPa。进一步分析表明,固溶强化是合金呈现较高强度的关键,其对屈服强度的贡献超过了75%。

激光定向能量沉积承压设备鉴定方法研究

增材制造技术以其快速熔化、从下到上、层层堆叠的技术特点,在复杂异形结构与一体化成形等方面具备突出优势。该技术还具有成型效率快、材料利用率高等特点,在核能领域有着极大的发展潜力。但是,目前缺少增材制造成品鉴定方法,阻碍了其在各个领域的进一步应用。基于此,以某堆形回路干式过滤罐为对象,研究系统性的产品全流程鉴定方法,形成面向核能领域的增材制造鉴定流程。

基于边缘梯度搜索的激光定向能量沉积熔池尺寸提取方法

针对激光定向能量沉积过程中存在熔池弱边缘导致熔池宽度难以准确提取的问题,本工作基于熔池边缘灰度梯度变化差异,提出了一种基于边缘梯度搜索模型的熔池宽度提取方法。为了得到精确的熔池尺寸,首先基于数学形态学的方法对熔池图像进行预处理得到粗定位边缘,然后通过试验确定弱边缘梯度阈值,最后采用边缘梯度搜索模型对粗定位边缘进一步分割得到精分割边缘,使用椭圆拟合法进行边缘拟合得到熔池宽度,试验结果表明该方法具有良好的熔池宽度检测精度。

Al_(2)O_(3)-TiC_(p)复相陶瓷激光定向能量沉积直接增材制造

Al_(2)O_(3)-TiC_(p)(AT)复相陶瓷材料以其优异的综合力学性能而被广泛用作金属切削刀具材料。针对AT材料传统烧结方法在能耗及周期方面的局限,本工作利用激光定向能量沉积技术开展了AT复相陶瓷材料直接增材制造的研究,系统探讨了不同TiC_(p)比例对复相陶瓷材料微观结构和力学性能的影响。结果表明TiC_(p)颗粒均匀分布在成型样件的基体中,掺杂TiC_(p)细化了Al_(2)O_(3)晶粒。同时,由于TiC_(p)与Al_(2)O_(3)基体的热膨胀失配引起裂纹出现偏转、贯穿颗粒等现象,消耗了裂纹扩展能量,进而有效抑制了AT材料直接增材过程中的裂纹扩展行为。掺杂TiC_(p)颗粒对熔池形成冲击,在一定程度上加快了气体的逸出速率,进而提高了材料的相对密度。但TiC_(p)含量过高将加剧其与Al_(2)O_(3)基体在高温时的化学反应,生成的气体使复合材料中出现较大气孔并降低了材料部分力学性能。TiC_(p)质量分数为30%的复合材料的相对密度达到96.64%、平均显微硬度达到21.07 GPa和断裂韧性达到4.29 MPa·m^(1/2)。

激光定向能量沉积工艺对Mo涂层裂纹及耐磨性的影响

为提高Cu合金表面硬度、耐磨性,用激光定向能量沉积技术在其表面制备Mo涂层。用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、显微硬度计和摩擦磨损试验机对涂层的物相组成、显微组织、显微硬度和耐磨性进行表征。结果表明:Mo涂层均为单一的Mo相,存在较多气孔、裂纹缺陷;Ni/Mo过渡涂层出现Ni_(3)Mo新相;受涂层致密度影响,Mo涂层显微硬度差异明显,硬度最高可达(498.5±21.1)HV_(0.3);耐磨性是基体的4.19倍,磨损机理主要为磨粒磨损。

激光定向能量沉积钴基合金热疲劳行为

针对再生冷却推力室等零件在服役过程中经受循环热冲击,容易发生热疲劳失效等问题,采用机械球磨混粉和激光定向能量沉积相结合的方法,在Stellite 6合金中添加铝和镍元素,制备了新型钴基合金。在室温至600℃进行自约束热疲劳测试,并采用扫描电子显微镜、X射线衍射和激光共聚焦显微镜等多种方式系统表征了测试前后钴基合金的显微组织演变和裂纹萌生及扩展过程。结果表明:与商用Stellite 6钴基合金相比,铝和镍元素的添加抑制了沉积态钴基合金中-Co的出现,并且在热疲劳过程中也限制了γ-Co向-Co的转变。3Al合金和3Al5Ni合金热疲劳裂纹出现的临界循环次数分别提高了250次和550次,裂纹扩展速率降低了7.5和12.25。新型钴基合金拥有更高的层错能,组成相更稳定,热疲劳过程中γ/相界面更少,减少了热疲劳裂纹萌生和扩展,从而大幅提升抗热疲劳性能。

激光线能量密度对75W-FeCoNiCr合金微观组织及力学性能的影响

利用FeCoNiCr高熵合金为黏结相,并采用激光定向能量沉积(L-DED)方法制备新型75W-FeCoNiCr合金,研究激光线能量密度对合金相组成、相对密度、微观组织及力学性能的影响。研究结果表明,在线能量密度为157.14~325.00 J/mm时,不同线能量密度下的合金相组成没有明显变化,均由BCC-W相、TCP金属间化合物析出相Co_(7)W_(6)相和FCC-FeCoNiCr黏结相组成。随着线能量密度的增大,成分过冷度增加,析出相长大速率加快,其形态由板状/胞状向树枝晶状转变,并且粒径从1μm增加到8μm左右。随着线能量密度的升高,合金的致密度、显微硬度和压缩强度均呈现先升高后降低的趋势。当线能量密度为166.67 J/mm时,析出相主要为均匀胞状结构,此时,合金的致密度、显微硬度和压缩强度均达最高值,分别为98.4%、656 MPa和2261 MPa。

蓝光激光定向能量沉积纯铜零件的工艺及性能

金属高反材料对短波长激光拥有较高的吸收率,文中使用大功率蓝光激光器作为能量源在不锈钢基板上进行纯铜的沉积,将激光功率、扫描速度和送粉速率从5个水平形成不同的工艺参数组合进行全因子试验.先从宏观尺寸分析了工艺参数对沉积层的影响,后从相对密度、组织结构和力学性能3个方面对多道多层工艺进行探究.结果表明,单位送粉激光能量(laser energy per unit powder feed,LEPF)在2.592~6.048 kJ/g范围内可进行稳定的连续沉积,而当LEPF值大于6.050 kJ/g时,因用于沉积的激光能量过多而导致气孔出现.使用LEPF值为4.53 kJ/g打印出了表面质量较好的纯铜薄壁圆筒零件.通过正交扫描得到最高相对密度为99.10%的纯铜块状样件,并观察到了两种孔隙:近球形的气体包封孔隙(Ⅰ型)以及未熔合和未熔化的粉末孔隙(Ⅱ型).最后进行拉伸测试,从结果发现,远离基板成形位置抗拉强度为196.55 MPa,靠近基板成形位置的断后伸长率为26.72%.

激光定向能量沉积增材修复5083铝合金组织与力学性能

以Al-Mg-Sc-Zr合金粉末作为修复原料,采用激光定向能量沉积法对开槽5083铝镁合金进行增材修复,用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射、室温拉伸试验及显微硬度测试等手段,研究5083铝合金试样修复前后的微观组织与力学性能,同时对不同修复体积占比的试样力学性能进行对比。结果表明:修复区熔合线附近柱状晶呈树枝状,垂直于熔合线方向向基体呈外延生长。修复区为典型的熔池分布,晶粒尺寸为4-9μm,存在较多孔洞,熔合线和扫描轨道附近析出大量Al_(3)(Sc,Zr)颗粒。5083基体材料与开槽修复件的抗拉强度相差不大,分别为190.80 MPa和197.73 MPa,但修复试样的伸长率显著降低。从基体至修复区的2 mm范围内,硬度均值(HV)从50逐渐提高至100。

激光定向能量沉积与喷丸复合工艺成形性能研究

激光定向能量沉积与喷丸复合增材工艺,是以逐层喷丸的形式将喷丸表面强化原理与增材制造原理相结合,以达到降低工件缺陷和消除拉应力目的的一种复合工艺。比较该工艺机理与激光定向能量沉积工艺成形FeCrNiBSi合金试样的加工性能与质量,结果表明:复合工艺可将成形件表面的拉应力转变为压应力;与激光定向能量沉积工艺相比,复合工艺成形的试样密度提高了8.83%、表面粗糙度值降低了35.7%、拉伸强度与屈服强度分别提升了12.13%和53.24%。

《增材制造 金属粉末定向能量沉积设备激光熔覆头测试方法》国家标准发布并实施

西安增材制造国家研究院有限公司主持的国家标准GB/T 43614-2023《增材制造金属粉末定向能量沉积设备激光熔覆头测试方法》于2023年12月28日正式发布,并且立即实施。这一国家标准的发布旨在规范金属粉末定向能量沉积设备激光熔覆头测试方法,为企业提供明确的技术指导,加强产品质量监管,推动行业的健康发展。标准内容充分考虑了国内增材制造行业的实际情况,同时与国际上比对和借鉴,以确保标准的科学性和实用性。

航天运载器大型金属构件激光定向能量沉积研究及应用进展(特邀)

激光定向能量沉积(LDED)增材制造技术由于成形效率高、材料送进方式灵活、成形自由度高等特点,非常契合当前及未来航天装备结构大型化、整体化、轻量化、高精度的发展趋势,并已在运载火箭、载人飞船、火箭发动机等领域实现牵引性应用。总结当前铝合金及其复合材料、钛合金及其复合材料、镍基高温合金及其复合材料等3类航天装备结构主体材料的LDED研究现状,在此基础上,梳理出LDED工艺的发展方向及研究进展。重点介绍航天装备主承力结构、异质合金一体化结构、集成流道整体化结构等3类典型结构LDED制造难点、研制及应用进展。最后,对LDED增材制造技术材料、工艺及装备等的发展方向进行了展望。

激光定向能量沉积IN718/316L异质金属结构界面组织及力学性能研究

针对IN718镍基合金和316L不锈钢异质金属连接形成的明显界面导致构件整体强度低的问题,采用激光定向能量沉积(Laser directed energy deposition, LDED)工艺制备了IN718和316L直接连接和梯度连接构件。采用扫描电子显微镜(Scanning electronmicroscope,SEM)和电子背散射衍射(Electron backscattered diffraction,EBSD)观测了异质金属直接连接和梯度连接构件的界面处微观组织分布。此外,采用数字图像相关法(Digital image correlation, DIC)原位拉伸技术研究了IN718/316L异质金属直接连接和梯度连接构件的整体强度,以及拉伸过程中界面处的应变规律。结果表明,IN718/316L直接连接构件存在明显界面,界面处微观组织分布存在较大差异;从IN718端至316L端,Fe等元素含量明显升高, Ni和Nb等元素含量明显降低。IN718/316L梯度连接构件无明显的连接界面,沿梯度方向,微观组织由胞状晶向柱状树枝晶转变。抗拉强度与直接连接构件相比提高了约28.77%。采用异质金属梯度连接可有效消除异质金属间的明显界面,实现元素分布渐变,明显提升异质金属的抗拉强度。

激光束时/空域形态对定向能量沉积316L不锈钢组织的影响

以激光束的时/空域形态为调控对象,采用激光定向能量沉积方式制备了不同时/空域下的单道多层316L不锈钢试样,分析各参数对试样的显微硬度、微观组织特征的影响。正交试验结果表明:晶粒等效直径、柱状晶长宽比、柱状/等轴晶数量比均随着频率和占空比的增大,先快速减小后略微增大。相比连续光束,中频(40/60 Hz)中占空比(0.6/0.8)下的晶粒等效直径、柱状晶长宽比、柱状/等轴晶数量比分别减小19.4%、3.4%、13.3%。空域形态下,相比高斯光束,超高斯光束下晶粒等效直径减小0.14μm,而柱状晶长宽比、柱状/等轴晶数量比分别增大0.06、0.45。各因素对等效直径、柱状晶长宽比、柱状/等轴晶数量比、显微硬度的影响程度分别为:占空比>频率>形态指数、频率>占空比>形态指数、频率>形态指数>占空比、形态指数>频率>占空比。

激光定向能量沉积Inconel 718合金高频窄脉冲电化学后处理行为研究

高频窄脉冲电解加工技术能有效提高加工精度和表面质量,在镍基高温合金等难加工金属材料的精密制造方面有着广泛的应用。然而,对于微观组织极不均匀的激光定向能量沉积构件,其加工质量尚不清晰,尤其是采用无水电解液时。以激光定向能量沉积Inconel 718合金为研究对象,采用频率为30~100 kHz、占空比为30%~80%的高频窄脉冲电流以及饱和NaCl乙二醇电解液进行射流电解加工实验。结果表明:沉积态Inconel 718合金组织由γ基体相、Nb偏析区与枝晶间相(主要为γ/Laves共晶相)组成;在10.50 A/cm^(2)的电流密度下,加工区表面粗糙度随脉冲频率的增加而增大,且脉冲频率为30 kHz时表面粗糙度最小(R_(a)=1.562μm),加工精度最高;表面粗糙度随占空比的增加先减小后增大,占空比为50%时表面粗糙度最小,占空比为60%时加工精度最高;而在直流模式下,表面粗糙度随电流密度的增大而降低,且电流密度为10.50 A/cm^(2)时,表面质量最优(R_(a)=0.526μm),这是由于高电流密度更容易诱导表面“过饱和盐膜”的形成,从而有效抑制选择性溶解,降低表面粗糙度。但在加工精度方面,高频窄脉冲电流模式的加工定域性较好。最后,基于“盐膜”理论和双电层模型,揭示了高频窄脉冲电流模式下沉积态Inconel 718合金的微区阳极溶解机理,为提高激光增材制造镍基高温合金射流电解加工表面质量提供了理论支撑和实验依据。

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。

激光金属沉积技术研究现状与应用进展

增材制造是融合材料科学、机械自动化及信息技术的先进制造技术,在近30年的发展中,发挥着越来越重要的作用。激光金属沉积(Laser metal deposition,LMD)是基于定向能量沉积(Directed energy deposition,DED)的一种增材制造技术,在近年来受到广泛关注和研究。阐述了LMD技术的基本工作原理及系统组成,重点介绍LMD技术国内外研究进展及应用现状,列举了一些基于LMD的工艺技术开发及装备研发制造,指出了LMD技术在成形效率和成形精度、工艺稳定性及性能一致性等方面的不足。最后,总结了LMD技术未来的5个发展趋势:材料体系集约化、工艺参数系统化、成形过程高效化、设备集成智能化和应用领域广泛化。