基于视觉传感的热丝激光金属沉积熔滴—熔池多特征信息同步监测

为了提高热丝激光金属沉积(HW-LMD)过程中的质量稳定性和实现熔滴—熔池多特征信息的同步实时监测,采用基于高动态视觉相机结合YOLO v8深度学习神经网络的高精度实时监控方法,通过相机捕捉HW-LMD过程中的动态变化,并利用YOLO v8神经网络对过渡方式和熔池行为进行同步监测,首先判断沉积过程是否为稳定的液桥过渡,然后在液桥过渡模式下提取熔池尺寸的关键点信息.结果表明,YOLO v8神经网络在检测沉积过程过渡方式和熔池关键点信息方面具有高精确度,精确率分别达到了98.8%和99.9%,熔池宽度的平均误差为4.1%,且推理时间平均仅为12 ms/帧,满足了HWLMD过程实时监控的需求.

激光金属沉积制备TiC/316L复合材料的组织及力学性能研究

激光金属沉积(LMD)技术可同时实现输送粉末和聚焦激光能量,材料成形率高,能够显著提升材料性能和降低制造成本,具有广泛的应用前景。采用LMD技术制备TiC含量为0%、0.5%、1%和2%的TiC/316L不锈钢复合材料,研究了增强体含量对复合材料组织和力学性能的影响。结果表明:通过金相技术观察样品微观结构发现,熔池形貌呈鱼鳞状形貌,中心区域主要为等轴晶粒,熔池边缘区域主要以柱状晶粒为主,相邻熔池之间的柱状晶粒呈外延生长关系,等轴晶粒尺寸分布在10~50μm,而大多数柱状晶粒尺寸超过100μm。随着TiC颗粒含量的增加,复合材料的抗拉强度显著提升,当添加量达到1%时,试样的抗拉强度由623MPa提高至679MPa,且保持30.42%的良好伸长率;然而,当添加量增至2%时,伸长率下降至5.1%,组织中出现了TiC颗粒的团聚现象。

超高速激光金属沉积增材制造K648高温合金的显微组织与性能

采用一种新型的超高速激光金属沉积工艺以提高高铬高温合金的制造效率。分别使用透射电子显微镜、拉伸试验机、磨损试验机和电化学工作站对超高速激光金属沉积高铬K648高温合金的析出相生长行为、高温力学性能、耐磨性和耐腐蚀性进行研究,并与传统激光金属沉积工艺进行比较。结果表明,超高速激光金属沉积K648合金的析出相尺寸明显小于传统激光金属沉积工艺制备的K648合金,700℃下的高温强度更高,且具有良好的耐磨性和耐腐蚀性。总之,超高速激光金属沉积制造的K648高铬高温合金具有良好的综合性能。

基于熔池热历史的陶瓷增强金属基复材激光定向能量沉积质量实时监测方法

针对激光定向能量沉积(L-DED)制备陶瓷增强金属基复合材料(CRMMC)过程中成形质量不稳定的问题,提出一种基于熔池热历史的CRMMC质量监测方法。为实现在CPU硬件上的实时监测,构建了单路结构的轻量级全深度可分离卷积神经网络模型(FD-Net)。输入9个不同激光能量制备不同状态的CRMMC成形质量,使用红外热像仪同步采集熔池红外图像作为数据集训练和测试FD-Net,并与当前先进的轻量级卷积神经网络(CNN)模型进行性能对比。结果表明:FD-Net在Inter-CPU上以7.90ms/帧的推理时间实现了高精度监测,显著低于其他CNN模型,证明所提方法可在工业微型计算机上实现CRMMC质量状态的实时监测。

窄孔内壁激光金属沉积Stellite6合金耐磨层组织及性能研究

为解决窄孔内壁堆焊的可达性差和提高304L不锈钢的耐磨性能,采用激光金属沉积的方式在深30 mm、直径14 mm的304L窄孔内壁制备了一层约2.5 mm厚、致密度为99.9981%、无裂纹、未熔合等缺陷的stellite6耐磨层。通过微纳CT、XRD、金相、硬度测试和摩擦磨损试验等方法,系统研究了耐磨层的组织、相组成、硬度分布和耐磨性能。结果表明,Stellite6耐磨层致密无缺陷,其显微组织从底部到顶部依次为平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶。相组成主要为γ-Co、M_(23)C_(6)、CoCx及(Cr,Fe)_(7)C_(3)等。熔合线附近各种元素均匀分布,未出现明显聚集。耐磨层的显微硬度平均值是基体304L的2.38倍,且窄孔不同高度位置的显微硬度值相对稳定。耐磨层的磨损率较304L基体降低了29.3%,显示出优异的耐磨性能。该研究为大深宽比内孔壁激光金属沉积耐磨层在核电、能源动力等行业的应用提供了依据。

激光金属沉积成形304奥氏体不锈钢的缺陷和硬化现象

【目的】为了掌握激光金属沉积成形304奥氏体不锈钢的材料缺陷和硬化情况,为后续该技术成形金属材料的工程应用提供参考。【方法】该文对激光金属沉积成形304奥氏体不锈钢的材料缺陷和单调/循环交变载荷作用下的硬化现象进行了研究。【结果】研究结果表明,激光金属沉积成形材料的表面十分粗糙并具有明显的堆叠痕迹,成形材料中存在孔洞、氧化物夹杂和未熔颗粒等缺陷;在单调载荷作用下,成形材料表现出应变硬化,应变硬化指数为0.4,低于传统锻造工艺成形材料;在应变控制的循环交变载荷作用下,成形材料在试验起始阶段产生循环硬化,而在较低应力控制的循环交变载荷作用下,成形材料在试验起始阶段产生循环软化,随着循环加载次数的增加,成形材料产生循环硬化。【结论】由于独特的成形工艺,激光金属沉积成形304奥氏体不锈钢不可避免存在材料缺陷,在单调载荷、应变控制的循环交变载荷及较低应力控制的循环交变载荷作用下均会出现硬化现象。

航空发动机机匣修复用AlSi10Mg激光金属沉积:显微硬度、磨损和腐蚀行为

基于激光金属沉积(Laser Metal Deposition,LMD)的再制造利用了增材制造的灵活性,为修复或再制造高价值工程零部件提供了一种极具吸引力和性价比的手段。本工作在航空发动机机匣用铸造铝合金板表面熔覆AlSi10Mg合金,当激光功率P=1800 W、送粉速率f=1.6 g/min、扫描速度v=8 mm/s时,获得了孔隙率仅为0.19%的AlSi10Mg修复层。

不同原料对水下激光直接金属沉积修复HSLA钢微观组织和力学性能的影响

水下激光直接金属沉积(UDMD)技术在海洋受损结构的现场修复方面显示出巨大的潜力。本研究针对柔性原料替代的可能性,采用两种不同性能的粉末对提前准备好的HSLA钢板进行UDMD修复。系统研究了合金成分和UDMD工艺对修复性能的综合影响,包括微观组织、力学性能和腐蚀行为。

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅱ．沉积过程中热应力场的模拟

建立了按激光光斑直径逐点沉积热力耦合的热应力有限元分析模型．316L不锈钢直薄壁件沉积过程的热应力模拟结果显示,拉应力区出现在基板与沉积部分界面处(界面拉应力区)和沉积部分顶部(顶部拉应力区);拉应力区的位置随激光束的运动不断变化．实验证明,沉积过程中的开裂分别发生在沉积部分顶部(顶部开裂)和基板与沉积部分界面处的边缘部位(边缘开裂)．顶部开裂出现在顶部拉应力区,边缘开裂出现在界面拉应力区中拉应力最大的边缘部位．有限元模拟结果很好地解释了实验中的开裂现象．

基板预热对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为降低沉积过程的热应力,抑制成形过程中裂缝的产生,研究基板预热对激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping,LMDS)过程热应力的影响具有非常重要的意义。根据有限元分析中的'单元生死'思想,利用APDL(ANSYS parametric design language)编程建立多道多层激光金属沉积成形过程的数值模拟模型,深入探讨基板未预热和预热到400℃时对成形过程热应力的影响。计算结果表明,基板预热到400℃可以显著降低成形过程中试样的热应力变化波动性,试样的Von Mises热应力最大值可降低10%左右,其中x方向热应力最大值可降低8.5%左右,z方向热应力最大值可降低8.1%左右。在与模拟过程相同的条件下,利用自行研制的激光金属沉积成形设备进行了成形试验,成形试验的结果与模拟结果基本吻合。

扫描方式对激光金属沉积成形过程热应力的影响

为改善金属试样的成形质量,降低沉积过程的热应力,研究不同扫描方式下激光金属沉积成形过程中热应力的动态分布规律具有非常重要的意义。根据有限元中的'单元生死'技术,通过ANSYS参数化设计语言(ANSYS parametric design language,APDL)编程研究了沿长边平行往复、沿短边平行往复以及层间正交变向平行往复等填充扫描方式对整个成形过程热应力的影响,详细探讨了各种扫描方式下Von Mises热应力、x方向热应力、y方向热应力以及z方向热应力的动态分布规律,并分析热应力产生和分布的原因。在与模拟过程相同的条件下,实际成形试验所得结果与模拟结果吻合较好。

激光金属沉积成形的扫描方式

扫描方式是激光金属沉积成形(Laser metal deposition shaping,LMDS)制造过程中的关键技术,在分析现有扫描方式及其对成形质量和成形效率影响的基础上,指出现有扫描方式的缺陷,并提出一种基于层面轮廓优化单调区分解的分区平行扫描方式。该方式基于极值顶点可见性原理,对分层后的断面轮廓进行去除内环、非单调多边形的单调剖分等处理,可最大限度地减少分区数量,获得若干个单调子区域。针对各单调子区域采用适应性变间距平行路径填充,可减小扫描线的长度,并保证均匀致密性填充。试验表明这种扫描方式能够提高成形效率和成形质量。

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅰ．沉积过程中温度场的模拟

建立了模拟直薄壁件逐点沉积过程中温度场的有限元模型,用等价导热系数和焓值法处理了固-液耦合热传导问题和固液混合区的焓．模拟结果真实地反映了沉积316L不锈钢直薄壁件的温度场特征．通过对模拟结果的分析得出,在高温阶段 (700℃以上)熔池的平均冷却速率达到103℃/s数量级,在240℃以下的冷却速率仅为10℃／s数量级．基板的温度变化经历温度上升、温度平稳、温度下降3个阶段;在温度下降阶段,基板中的热传导对熔池冷却速率影响很小．有限元模拟结果与已有文献的实验测量数据吻合很好．

激光金属沉积成形过程中温度场的数值模拟

为了降低成形过程的热应力,根据有限元方法中的"单元生死"技术,利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟,再现了成形过程中温度场的动态变化,得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明,试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布,具有明显的分层现象,熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下,实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。

金属激光沉积成形分组平行扫描路径生成方法

结合金属零件激光沉积成形工艺和现有平行扫描路径生成方法,分析局部过熔覆和欠熔覆问题的根本成因,提出一种基于轮廓极值点识别判断的金属零件激光沉积成形优化分组平行扫描路径生成方法。基于分层轮廓的外偏置轮廓采用极值点处增线式扫描的方法生成扫描填充线,避免因扫描间距误差引起成形层面轮廓局部边界缺损,保证成形零件具有一定的加工余量。提出基于极值点与过渡扫描线位置关系判断优化分组连接填充矢量的方法来生成分组扫描路径,避免扫描填充线不当连接引起的过熔覆。试验表明:这种扫描路径可有效提高成形层面平整度和工件质量,保障成形加工的顺利进行。

高沉积率激光金属沉积Inconel 718的孔隙率控制

为降低高沉积率激光金属沉积(Laser Metal Deposition,LMD)工艺中材料的孔隙率,研究了以镍基高温合金Inconel 718(IN718)为粉末沉积材料的高沉积率LMD工艺中主要工艺参数对材料孔隙率的影响,以及通过调整工艺参数降低材料孔隙率的方法。以目标沉积率为2kg/h的LMD工艺为基础,通过参数固化和分离的手段开展了高沉积率LMD的镀层实验,研究了主要工艺参数即激光功率、扫描速度及送粉量对LMD镀层材料孔隙率的影响,分析了不同参数下各镀层的横截面孔隙率及镀层孔隙率。实验显示:当激光功率从1 440 W增加到4 214 W时,镀层材料的孔隙率从约1.5%降低至0.02%左右;当扫描速度为500mm/min至5 000mm/min时,镀层材料孔隙率始终保持为0.07%至0.18%左右;当送粉量从0.64kg/h增加至6.48kg/h时,镀层材料孔隙率从约0.01%增加至0.84%左右。可见在高沉积率LMD工艺中,扫描速度对材料孔隙率无明显影响,而提高激光功率、限制送粉量均可有效降低LMD材料孔隙率,提高横截面孔隙率的一致性。

基板预热温度对激光金属沉积成形零件微观组织的影响

基板预热可以显著降低激光金属沉积成形(laser metal deposition shaping,LMDS)过程的热应力,从而抑制成形过程裂缝的产生,但基板预热温度的高低对成形零件的微观组织有着重要的影响,因此研究不同基板预热温度下激光金属沉积成形零件的微观组织变化规律对基板预热温度的选择具有非常重要的意义.利用中国科学院沈阳自动化研究所自行研制的激光金属沉积成形系统和基板预热系统,采用Ni60A金属粉末在基板未预热和预热到200,300,400,500和600℃时分别进行成形试验.然后利用扫描电子显微镜和能量散射谱仪对成形试件的微观组织进行深入的研究,得到不同基板预热温度对激光金属沉积成形零件微观组织的影响规律,为基板预热温度的优化选择提供了重要参考.

激光辅助金属电沉积与无电沉积机理比较

本文介绍了激光增强金属电沉积与诱导金属无电沉积机理 ,比较了两种机理的区别与联系 。

激光沉积制备Nb_3Al基难熔金属间化合物研究

通过控制激光功率使Nb-12Ti-22A l(at%)和Nb-22A l(at%)两种成分配比的混合元素粉末在Ti-6A l-4V基体上激光沉积合成了Nb3A l基难熔金属间化合物,并达到了预期设定的成分配比,其显微组织均匀细小,在-δNb3A l基体上分布着不同形态的β-Nbss。在合适的激光功率下,无裂纹的沉积层厚度有一定的限制,随着沉积厚度的增加,沉积层中残余拉应力增大,沉积薄壁件容易在底部发生断裂。由于Ti的添加使Nb-12Ti-22A l的的裂纹倾向性小于Nb-22A l。

金属直薄壁件激光直接沉积过程的有限元模拟 Ⅲ．沉积过程中变形的分析

利用模拟不锈钢直薄壁件沉积过程中热应力场的计算结果,分析了直薄壁件产生的“圣诞树”台阶和基板的变形特征．分析结果说明,“圣诞树”台阶产生的原因是激光束扫描路径的起点与终点处温度场特征的不同和熔池温度的差别．基板的翘曲变形仅产生在基板上有沉积材料的部位,基板的左、右端部产生刚性位移．基板端部位移的实验测量与有限元计算结果相符合,证明了分析温度场和热应力场的有限元模型的正确性．