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。

激光重熔工艺对粉末床熔融纯钼组织及力学性能的影响

由激光粉末床熔融(LPBF)成形的纯钼材料普遍存在着致密度低、孔隙缺陷多的问题,对其宏观力学性能具有较大影响。重熔作为LPBF工艺中常见的扫描策略,对提高难熔金属的致密度、改善其力学性能具有重要作用。采用重熔与未重熔工艺分别获得了纯钼试样,研究了两种工艺试样的微观组织与力学性能差异,通过对比致密度、缺陷、微观组织以及维氏硬度与拉伸性能,揭示了重熔工艺对LPBF纯钼成形质量的影响规律及作用机制。结果表明:重熔后缺陷明显减少,致密度得到了显著提高,晶粒增大,平行于成形方向的硬度提高、强度降低、断后伸长率增加,为增材制造金属钼及其合金的性能调控提供了参考。

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%。

激光粉末床熔融Inconel718合金工艺优化与组织演变

【目的】分析能量密度对激光粉末床熔融镍铁基高温合金(Inconel718,IN718)显微组织的主要影响,以期提高激光粉末床熔融IN718的致密度。【方法】采用田口方法和方差分析方法优化激光功率、扫描速度、扫描间距,得到高致密合金样品激光功率-扫描速度-扫描间距的关系模型,并对模型得到的结果进行验证。【结果】扫描间距对样品的相对密度影响最大,贡献率为38.31%;在研究范围内,熔池尺寸与体能量密度成正比,Al和Ti元素在晶界处有明显的微观偏析,能促进液膜开裂,从而导致裂纹等缺陷的形成。【结论】设计的模型将有助于建立一种高效的LPBF制备Inconel718合金工艺。

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。

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。

镁合金激光粉末床熔融技术研究进展

镁合金是最轻的金属材料,因其优异的力学性能和良好的生物相容性,从而在汽车、航空航天、生物医疗等领域具有极大应用潜力。激光粉末床熔融(LPBF)作为一种快速成形技术,已被广泛用于制造复杂结构金属构件,为镁合金的开发和应用提供了广阔的平台。首先,探讨了LPBF过程中镁合金的缺陷形成机制,并总结了其性能特征;其次,研究了LPBF工艺参数与镁合金成形性和材料性能之间的关系,并对试验设计、仿真模型和机器学习等先进智能优化方法进行了评估;再次,介绍了合金元素和后处理方法对LPBF制备的镁合金显微组织和力学性能的影响;最后,展望了LPBF镁合金的未来潜在应用。

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。

激光粉末床熔融成形CuCrZr组织与性能研究

采用激光粉末床熔融(L-PBF)成形技术制备CuCrZr合金复杂结构件。在最佳成形工艺参数下,制备了相对密度为99.65%的合金试样,并对L-PBF成形试样在不同方向的微观组织结构和性能进行研究。结果表明,XOY平面的显微组织为晶粒尺寸不一的等轴晶。XOZ平面的显微组织形貌显示柱状晶沿成形方向贯穿成形层生长,晶粒尺寸较大,且存在半圆形熔池。CuCrZr合金在XOY平面的显微硬度高于XOZ平面,拉伸试样的拉伸性能在XOY平面与XOZ平面存在轻微的差异。拉伸断口形貌均存在大量韧窝,是一种以塑性变形为主导的延性断裂。XOY平面的自由电子通过较粗柱状晶进行传输,晶界产生较少的散射作用。XOZ平面的自由电子通过垂直成形方向的等轴晶粒进行传输,晶界产生的散射作用较大,因此导致XOZ平面的导电率与热导率均低于XOY平面。

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。

航天用镍基高温合金粉末床熔融技术研究进展

采用激光粉末床熔融技术(LPBF)制造镍基高温合金具有较大的生产潜力,在航空航天领域有着广泛的应用,因此这一技术受到了高度关注。近年来,为了更好地了解LPBF-镍基高温合金的性能和使用极限,相关学者对其开展了大量的研究工作。本文基于近年来多项LPBF-镍基高温合金的研究,阐述了该领域的研究目标和重要发现,并列举了LPBF镍基高温合金在航天工业中的具体应用。总体分析了工艺参数和热处理对镍基高温合金及其复合材料增材构件组织及力学性能的影响,以及LPBF过程中常用的建模方法及研究进展。最后,对LPBF-镍基高温合金的未来发展方向提出了展望。

基于机器学习的Ti-6Al-4V合金激光粉末床熔融工艺优化

基于高斯过程回归(GPR)模型,对激光粉末床熔融Ti-6Al-4V合金的致密度和表面粗糙度观测数据进行了机器学习,得到了高致密度合金样品的激光功率−扫描速度的工艺优化窗口,并探讨了激光功率−扫描速度对表面粗糙度的影响。结果表明:获得高致密(≥99.5%)合金的激光功率−扫描速度工艺窗口呈梨形,扫描速度比激光功率对致密度影响更大,且高功率条件下适宜的扫描速度范围较宽。降低激光功率和提高扫描速度会单调增加表面粗糙度,且在低激光功率和高扫描速度下该影响更显著。同一激光能量密度下打印的合金致密度取决于具体的扫描速度和激光功率,但表面粗糙度基本相同。优化工艺窗口下样品的表面粗糙度小于10μm。实验证明GPR预测的优化工艺窗口是可靠的,该方法可拓展应用到其他合金增材工艺优化设计中。

粉末床熔融钛合金的表面抛光技术研究进展

粉末床熔融钛合金作为一种重要的金属材料,在航空航天、医疗器械以及汽车等领域得到广泛应用。然而,由于特殊的材料性质和加工方法,其表面质量与性能仍然是制约其应用的关键问题之一。对粉末床熔融钛合金的表面抛光技术研究进展进行了综述,介绍了化学抛光、电化学抛光、等离子电解抛光、激光抛光和机械抛光等技术的研究进展。这些技术为粉末床熔融钛合金的表面质量和性能满足不同应用需求提供了选择,同时还对复合抛光技术及相关技术发展进行了展望。