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。

粉末床熔融式增材制造钛合金研究进展及应用

钛及其合金的粉末床熔融式(PBF)增材制造技术因具有定制制造、成本节约和时间优化等优势,在航空以及生物医学领域备受关注。但在PBF制造钛合金时,多种因素如热导率低、热积累、氧化敏感性及快速冷却引起的热应力共同导致成形件缺陷、组织差异、性能不稳定与质量参差不齐等问题。因此,本文通过调研PBF技术中的激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,L-PBF)和电子束粉末床熔融(Electron beam powder bed fusion,EB-PBF)技术原理,讨论PBF增材制造钛合金微观组织特征、力学性能、耐腐蚀性能、耐磨损性能与生物相容性的特点;同时,聚焦成形过程中的缺陷形成机理及影响,提出缺陷消除方法;最后,展望两种技术的未来发展方向,为促进创新钛合金增材制造提供新的研究思路。

激光粉末床熔融增材制造过程智能监控研究进展与挑战

激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,LPBF)增材制造逐渐成为难加工金属构件快速、低成本、高性能、短周期制造的“潜力股”,被认为是使用最为广泛的金属增材制造技术之一,已经在航空、航天等工业领域得到大面积应用。然而,增材制造过程与成形质量的稳定一致性是行业面临的挑战性难题,已经成为LPBF增材制造技术迈向规模生产的“拦路虎”。目前的LPBF增材制造监控系统主要在“测”,即实现各类过程信息的测量,其质量评判与调控技术成熟度不够,难以实现行之有效的过程监控,而结合先进传感技术以及人工智能方法的智能监控有望成为LPBF增材制造规模生产的“一把利刃”。从LPBF缺陷类型、制造过程信息感知、过程质量智能评判、工艺参数优化与质量调控四个方面综述激光粉末床熔融增材制造智能监控研究进展和发展现状,指出发展面向LPBF增材制造规模生产的成熟智能监控系统面临的挑战。最后讨论应对这些挑战的解决途径和未来展望。

基于激光增材制造粉末回收装置的改进

激光增材粉末制造是一项前沿性的先进制造技术,但现有激光增材制造设备在生产过程中有大量的金属粉末不能进入熔池参与成型而浪费。拟通过增设离心抽风机、粉末回吸嘴、粉末收集器、二级振动筛、振动源、一级振动筛、沉积基板、成型盒和激光送粉头等组成的一种粉末回收装置,对激光增材制造中未熔融成制件的粉末进行分级筛选,将符合颗粒度要求的金属粉末直接送入激光送粉装置进行回收利用,从而降低送粉能耗,有效提高材料的利用率,进而降低激光增材制造成本。

铝基复合材料激光粉末床熔化增材制造研究现状

采用激光粉末床熔化技术制备铝基复合材料在航空航天、军工、交通运输等领域显示出了深远的研究前景,向铝合金引入纳米增强体的种类、引入方式以及含量对铝合金可打印性、组织、力学性能产生的影响是学者们的关注热点。本文主要总结分析了TiB2、石墨烯、TiC纳米增强体对激光粉末床熔化技术制备铝合金的晶粒形态、晶粒尺寸、相对密度、可打印性和力学性能的影响,进行了不同纳米增强体对打印态铝合金力学性能影响的对比,分析得出以TiB2为代表的纳米增强体能够提升打印态铝合金的强度、塑性,使其具有良好的综合力学性能,最后提出了该研究领域在未来的进一步发展趋势。

电子束粉末床熔融增材制造装备发展综述

电子束粉末床熔融(EB-PBF)增材制造技术具备成形效率高、成形零件应力低等优势,适用于高温合金、高熔点金属的成形,在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。对电子束粉末床熔融装备的研究情况进行了概述,回顾了EB-PBF装备的发展历程,汇总分析了国内外主要厂商的装备特点及研发进展,综述了抗吹粉、多材料、多束流复合3个方面装备的关键改进与创新方法。在此基础上,着重介绍了离子中和、机械装置屏蔽、近红外预热等新型成形舱改进方案,及其对工艺过程稳定性的提升效果;介绍了新型铺送粉装置改进方案对多材料成形的潜力,即该方案可有效满足多材料成形、成形效率提高等需求;此外提出并实现了多电子枪同幅加热成形、电子束-激光复合成形等突破传统单电子枪加工思路的新型成形技术。最后,总结了该方向的研究进展并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。

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。

激光粉末床熔融增材制造铝合金的室温和高温力学性能研究

激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF)AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明:水平方式成形试样(拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向)具有更优的压缩性能,表现出更优异的抗压强度及屈服强度(分别为201.0 MPa与251.3 MPa);在高温拉伸试验中,不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高(从100℃升至175℃)均呈下降趋势,而延伸率均逐渐升高,且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样(载荷垂直于试样铺粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历10^(7)循环周次的中值疲劳强度为151.25MPa,疲劳寿命约为2.1×10^(5)周次,疲劳裂纹扩展门槛值为0.981MPa·m^(1/2)。

激光粉末床熔融(L⁃PBF)增材制造316L不锈钢制件微观表征和力学性能研究

以激光粉末床熔融(L-PBF)增材制造的316L不锈钢作为研究对象,重点研究了0°和60°两个不同成型方向对打印件显微组织和力学性能的影响,并利用原位电子背散射衍射(EBSD)技术研究了L-PBF 316L不锈钢在拉伸变形过程中组织和晶粒取向的演变过程。研究结果表明:L-PBF增材制造316L不锈钢的显微组织存在孔洞缺陷,在60°成型方向上还存在着鱼鳞状微熔池。成型方向为60°时制件的抗拉强度更高,为(645.61±15.50)MPa,0°成型方向上制件的伸长率更好,为(13.75±0.1)%。在原位拉伸过程中,随着变形量的增加,在0°成型方向上制件表现出更为显著的变化。小角度晶界的占比(体积分数)由38.1%增加到71.6%,α-Fe-BCC占比(体积分数)由0.17%增加到2.21%,平均晶粒尺寸由4.3μm减小到1.4μm,且晶粒内部在拉伸过程中出现了滑移带。在拉伸过程中,当成型方向为0°时,制件晶粒取向由初始的<101>∥Z1逐渐转变为<001>∥X1和<111>∥X1,而当成型方向为60°时,制件初始的<111>∥Z1晶粒取向逐渐转变为<111>∥X1。

增材制造技术在日本LE-9氢氧火箭发动机研制中的应用

近年来,增材制造技术发展快速,引起了各国对该技术促使制造成本急剧下降的高度关注。日本一直致力于可用于火箭发动机部件生产的增材制造能力研发。基于成功的试验结果和经验,日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)和三菱重工公司围绕由增材制造技术制得的部件在LE-9氢氧发动机研制中的应用进行了深入研究。本文介绍了LE-9氢氧发动机零部件增材制造设备的选用、零部件增材制造的基本要求和质量控制方法,以及发动机增材制造零部件的冶金性能等,梳理了LE-9发动机工程样机各部件增材制造的发展现状和开发情况,以及鉴定模型样机增材制造零部件的应用和发展规划,尤其是用于工程样机和鉴定模型样机全尺寸喷注器的各种增材制造部件的质量管理开发计划,以期为国内相关研究提供借鉴和参考。

使用激光粉末床熔融增材制造合金钢

为了扩大增材制造所用材料的选择,须开发焊接冶金、激光粉末相互作用和后续处理的参数。增材制造(AM)是根据CAD数据一次叠加一层来制造功能性工程部件。增材制造(AM)技术按照CAD模型给出的工具路径利用能量(激光、电子束、电弧)熔化原料(粉末、喂线),以分层方式生产大块材料。

打印方向对增材制造304L不锈钢微观结构及力学性能的影响

增材制造技术已被广泛应用于航空工业、汽车工业等各个领域。本文利用选择性激光熔融(Selective Laser Melting;SLM)技术加工得到304L不锈钢材料,并对其微观结构和力学性能进行研究。试验中,利用光学显微镜(OM)和电子背散射衍射仪(EBSD)对材料的不同截面进行微观观察;同时对水平打印试样和竖直打印试样进行单轴拉伸试验。试验结果表明,SLM技术加工得到的304L不锈钢的微观结构具有各向异性,垂直于打印方向和平行于打印方向的微观形貌具有显著的差异,同时材料内部存在较大的残余变形。

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。

粉末床熔融增材制造用金属粉末的研究现状

粉末床熔融增材制造具有成形精度高、力学性能好、复杂构件不敏感等特点,是目前金属增材制造领域发展最快的技术。金属粉末的品质是粉末床熔融增材制造发展的关键,需满足纯净度高、球形度好、流动性好、粒度分布合理等条件。本文简要介绍了粉末床熔融增材制造用粉末的性能要求及制备技术并进行对比,还对粉末床熔融增材制造用金属粉末的前景做了展望。

增材制造Ti6Al4V合金的闪速等离子体电解氧化与在生理介质中的电化学行为

研究激光粉末床熔融增材制造(AM)(又称直接金属激光烧结)技术制备的Ti6Al4V合金等离子体电解氧化(PEO)处理及其电化学行为。通过短时间(<120 s)PEO处理(也称闪速PEO),在AM合金和传统合金表面制备了3~10μm厚、含Ca和P的涂层。然后在改良的α-MEM溶液中,通过动电位极化曲线和电化学阻抗谱(EIS)评估了合金的电化学行为。与传统合金相比,AM合金中形成了细小的层片状α显微组织和层间小尺寸的β相颗粒,这促使了火花的产生,从而促进了PEO涂层的生长。闪速PEO涂层提高了传统合金和AM合金的耐腐蚀性,最薄的涂层(<3μm)提供了高达3倍的保护。AM Ti6Al4V由于其高的晶界密度,易受局部缝隙腐蚀的影响。而即使短至35 s的闪速PEO处理也足以成功避免这种情况。

金属粉末床熔融增材制造粉末循环使用研究现状

粉末床熔融增材制造技术可快速成形复杂结构零件,尺寸精度高,在诸多领域得到广泛关注,但相比于传统制造方法,其成本较高;金属粉末的循环使用则可以有效降低制造成本。结合增材制造金属粉末的研究进展,对常用的316L不锈钢、Ti6Al4V合金和IN718合金粉末在循环使用过程中的化学性能、物理性能和成形件性能变化进行了概述,并基于民用航空零部件增材制造需求,分析了金属粉末循环使用时存在的若干问题,提出了解决思路。

GB/T 37463-2019《增材制造塑料材料粉末床熔融工艺规范》国家标准解读

国家标准GB/T 37463-2019《增材制造塑料材料粉末床熔融工艺规范》已于2019年12月1日起正式实施,对进一步提升我国增材制造产业的整体技术水平、质量可靠性和市场竞争力具有重要的现实意义。本文通过对该标准的编制背景、主要内容及国际化等方面进行解读,帮助使用者理解标准原意,并能够准确、熟练运用标准。

基于空气传播声发射与深度迁移学习的激光粉末床熔融缺陷在线监测

目的对激光粉末床熔融(LPBF)过程中的缺陷进行缺陷监测机理研究,并开发可靠的现场质量监测方法来指导零件生产过程。方法使用空气传播声发射(ABAE)技术监测LPBF过程,获取多组变工况LPBF过程中的ABAE信号。通过对LPBF过程进行熔池动态分析及对比缺陷信号时频域特征,探究了LPBF缺陷声学监测机理。同时,提出了一种基于多源域知识融合的深度迁移学习(DTL-MDKF)方法以构建LPBF缺陷在线监测模型,并对模型的准确度和有效性进行了系统评估。结果LPBF熔池状态与产生的缺陷密切相关,所对应的声源发生机理不同是导致其信号特征呈现差异性的主要原因。所提出的DTL-MDKF方法模型对5类LPBF缺陷的识别准确率可达98.2%,且t-SNE可视化分析结果证明了其良好的深度特征挖掘能力以及将模型中多源域自适应融合知识迁移用于目标域LPBF缺陷监测任务的有效性。结论相比于传统单一源域迁移学习方法,所提出的方法模型具有更好的性能,能够实现对复杂多变工况的LPBF制造缺陷的精准实时监测,可为LPBF零件的生产提供一定的指导。

基于DMG MORI LASERTEC 65 3D加工中心的不锈钢粉末激光沉积增/减材复合制造

采用国内首台增/减材复合加工中心——DMG MORI LASERTEC 65 3D,完成不锈钢粉末的增/减材复合制造,通过研究激光直接金属沉积成形的激光功率、扫描速度及送粉速度等増材工艺参数对不锈钢沉积层截面形状尺寸与表面粗糙度的影响,优化沉积工艺参数,测定沉积件的力学性能,并初步探究DMG MORI LASERTEC 653D复合加工中心对于不锈钢异型涡轮增压壳体的增材与减材复合制造的能力水平和应用空间。结果表明:最佳沉积工艺参数为:激光功率为2 400 W,扫描速度为1 000 mm/min,送粉速率为14 g/min,粉末沉积件获得理想的等轴晶组织,其抗拉强度和伸长率分别达到632 MPa和46.9%,与同材料的锻件相当。用DMG MORI LASERTEC65 3D复合加工中心,可完成不锈钢异型涡轮增压壳体的粉末激光直接金属沉积成形和5轴铣削的复合加工制造,在保证工件精度的前提下,能较好地实现如法兰钻孔、接头生产等难加工部件的一次性成形,较传统加工方式效率提高5~8倍。

孔结构对电子束粉末床熔融多孔钽支架变形行为及力学性能的影响

采用电子束粉末床熔融技术制备菱形十二面体、G7及简单立方3种孔结构的多孔钽支架。通过压缩试验、拉伸试验、三点弯曲试验及有限元模拟,研究孔结构对多孔钽支架变形行为和力学性能的影响。在压缩试验中,G7和简单立方结构的多孔钽支架以杆筋的屈服变形为主,而菱形十二面体支架以弯曲变形为主,导致菱形十二面体多孔钽支架的压缩强度较低。另一方面,菱形十二面体多孔钽支架具有较好的拉伸性能和弯曲性能。在拉伸变形和弯曲变形中,菱形十二面体多孔钽支架的最大应力分布均匀,均匀的结构变形使得杆筋断裂延缓;而G7和简单立方结构多孔钽支架由于应力集中在横杆上,变形初期即出现杆筋断裂。因此,应根据不同的力学性能需求,合理选择电子束选区熔化多孔钽支架的孔结构。