粉床型电子束增材制造W-Nb合金的缺陷及显微组织

采用粉床型电子束增材制造技术(Selective electron beam melting,SEBM)制备了W-3.5Nb合金,分析了在电子束低速扫描、高速扫描、两次熔化三种熔化条件下W-3.5Nb合金的成形缺陷和显微组织。研究结果表明:W-3.5Nb合金的成形缺陷主要包括熔合不良和微裂纹,低速扫描可有效降低缺陷含量。熔合不良主要由熔池的球化和扰动导致,微裂纹主要是由凝固过程中枝晶间液相的凝固收缩引起。不同扫描速度下,熔池的凝固过程不同,合金呈现出不同的组织特点。在高速扫描时,由于扫描层间熔合不充分,合金外延生长不明显,形成细小等轴晶,没有明显的择优取向;低速扫描时,在外延生长的作用下,形成粗大的柱状晶组织,沿成形方向形成(001)方向择优取向;在单层两次熔化条件下,柱状晶特性和晶粒的择优取向减弱。

粉末原料对粉床型电子束增材制造高比重钨基合金成形过程的影响

分别以混合元素粉末和预合金粉末为原料进行了W-Ni-Fe系高比重钨基合金的粉床型电子束增材制造工艺研究。分析了粉末原料的类型对合金的致密化过程和显微组织的影响。实验结果表明:混合元素粉末在铺展过程中受粉末团聚或重力作用的影响,极易出现成分偏析,导致成形试样致密度低且显微组织不均匀,预合金粉末更能保证成形过程中粉末的均匀性和成形的稳定性。两种类型的粉末在成形过程中的致密化过程有所不同。混合元素粉末的致密化过程主要为:低熔点相熔化→钨颗粒在低熔点液相中的重排→钨颗粒的溶解-析出,由于细小熔池的熔化凝固过程快,钨在液相中大量溶解,但是来不及充分析出便已凝固,溶解-析出过程中钨的溶解占主导。而在预合金粉末中,低熔点相中钨已达到过饱和状态,以此粉末为原料进行成形,成形过程中钨的溶解-析出过程微弱,致密化过程主要是钨颗粒的重排。

粉床型电子束增材制造W-3.5Nb合金孔洞缺陷及其形成机制

采用粉床型电子束增材制造(SEBM)技术制备了W-3.5Nb合金,研究了电子束线能量密度对W-3.5Nb合金孔洞缺陷形成的影响规律,分析了不同类型孔洞缺陷的形成原因。结果表明:随着电子束线能量密度的升高,缺陷含量降低,当线能量密度升高到1.44 J/mm时,缺陷的体积含量最低为0.01%,继续增大线能量密度,缺陷的体积含量和数量有所增加。合金中孔洞缺陷可分为层间熔合不良、微米级树枝状孔、微米级近球形孔、纳米级球形孔4类。在线能量密度较低(1.08 J/mm)时,大尺寸(大于5000μm^(3))缺陷占主导,主要为层间熔合不良,形成原因主要是能量输入不足导致的熔池球化和熔化深度不足;当线能量密度升高后到1.32, 1.44和2.2 J/mm,小尺寸(小于2000μm^(3))缺陷占主导,其中的低球形度缺陷主要为微米级的树枝状孔洞,形成原因主要是熔池扰动引起的液体飞溅,高球形度的缺陷主要为微米级的近球形孔和纳米级球形孔,形成原因主要是熔池凝固过程中的凝固收缩和枝晶间的显微缩松。

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。

电子束粉床熔融制备镍基高温合金构件的研究进展

镍基高温合金是涡轮发动机和燃气轮机中的重要结构材料,然而其制件传统加工过程复杂、成本高昂且原材料利用率不高。电子束粉末床熔融(electron beam powder bed fusion,EBPBF)技术能够实现复杂结构制件近净成形,是一种高温合金成形的新方案。EBPBF技术实现了以Inconel 718、Inconel 625为代表的高温合金材料构件的成形,并且发展至能够成形无裂纹的高比例γ′相难焊镍基高温合金,甚至直接制备单晶体镍基高温合金构件,材料的性能达到了传统铸锻件的水平。本文回顾近年来以EBPBF镍基高温合金作为研究对象的相关文献,从工艺过程、组织调控、力学性能等角度对EBPBF制备镍基高温合金构件研究现状进行分析总结,并对未来的研究工作提出了展望。

线能量密度对电子束增材制造W-Ni-Fe合金致密化过程的影响

采用粉床型电子束增材制造技术制备了90W-7Ni-3Fe高比重钨基合金,研究了不同的线能量密度对合金的显微组织及致密化过程的影响。结果表明:电子束增材制造成形的90W-7Ni-3Fe合金的组织由W颗粒和Ni-Fe固溶体粘结相组成,粘结相内溶解了一定量的W,随着线能量密度的增大,粘结相的含量及其内部W的含量增大;在不同的线能量密度下合金的致密化过程略有不同:在低的线能量密度下(0. 24 J/mm),合金的致密化过程主要是钨颗粒的粘结,随着线能量密度的升高(0. 3~0. 75 J/mm),出现了W颗粒的重排和W在Ni-Fe固溶体里的溶解-析出,随着能量密度继续增大(1. 0 J/mm),出现了一定量的钨颗粒的熔化和低熔点元素Ni、Fe的挥发,且随着钨在粘结相中的含量升高,合金的固溶强化作用增强,显微硬度相应提高。

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。

增材制造技术粉床的数值模拟与分析

选择性激光烧结等增材制造工艺中粉床特性对成型工艺有重要影响。针对颗粒粒径分布类型和层厚等对粉床特性有影响的问题,通过分析增材制造技术中粉床填充过程,提出了一种基于离散元法的增材制造粉床的数值模拟分析方法,分析论述了不同粒径分布和不同层厚对粉床填充性能的影响。结果表明:单一粒径粉床和粒径高斯分布粉床的填充密度和平均配位系数均随着层厚的增大而增大,最后趋于稳定;单一粒径粉床和粒径高斯分布粉床的填充密度和平均配位系数在层厚为80和400μm时均大致相等,在其他层厚时,粒径高斯分布粉床的填充密度高于单一粒径粉床的填充密度,且差值随着层厚的增大先增大后减小;单一粒径粉床的平均配位系数高于粒径高斯分布粉床的平均配位系数,且差值随着层厚的增大先增大后减小。这些研究结果可为增材制造粉床颗粒粒径分布类型和层厚选取提供参考依据。

电子束粉末床熔融制备钛铝基金属间化合物研究进展

钛铝基金属间化合物是一种理想的高温结构材料,但因存在室温塑性差、加工困难等不足而限制了其发展与应用。电子束粉末床熔融(Electron Beam Powder Bed Fusion,EB−PBF)技术能够实现近净成形,其加工中的低热应力特点适宜脆性材料的制备,是近年来广受关注的新型钛铝基金属间化合物成形方法。对用电子束粉末床熔融制备的钛铝基金属间化合物进行了介绍,并对近年来发表的以EB−PBF钛铝材料为研究对象的相关文献进行了综述。从工艺、后处理和性能表征等角度对目前的研究现状进行了分析总结,并对未来的研究工作提出了展望。

电子束粉末床熔融技术发展综述

电子束粉末床熔融技术是一种有着广泛应用前景的金属增材制造技术,低应力、高能量利用率等特点使其在高温合金、高熔点金属成形等方向有着巨大优势。近年来,随着更多研究人员及企业进入该领域,电子束粉末床熔融装备有了诸多进展,且在新材料及工艺开发方面也取得了重要突破。本文对电子束粉末床熔融技术原理、近年来进展进行综述并对其今后的发展方向进行展望。

激光选区熔化增材制造中的粉体热动力学行为

激光选区熔化(SLM)可以直接成形近全致密、性能接近锻件的复杂结构金属零件,是金属增材制造(3D打印)领域的热点技术之一.SLM成形过程中粉末颗粒的热/动力学行为复杂,与零件成形缺陷及力学性能紧密相关.本文介绍了离散单元法(DEM)与计算流体力学(CFD)联合建模在SLM中的创新应用,结合粉末床原位测试及成形在线监测,探索SLM粉末铺设和粉末床熔融两个工艺环节的复杂粉体热/动力学行为机制.研究发现,粉末铺设过程中:粉体的黏结效应、壁面效应和渗流效应3种机制相互竞争、共同支配粉末动力学行为并最终决定粉末床铺设质量.粉末床熔融过程中:熔池喷发的高温金属蒸汽带动环境保护气体形成内旋涡流,由此驱动散体粉末形成复杂流固耦合运动,导致粉末床飞溅与剥蚀现象;热浮力效应对粉末运动不起主导作用.文中提出了DEM-CFD双向动态耦合模型,可以充分考虑离散粉末与熔池蒸发气体之间的热力耦合作用,为SLM粉体熔融热/动力学行为的仿真模拟提供了一种新途径.

激光增材制造钛铝系金属间化合物的研究现状

随着我国工业技术的不断发展,发动机材料已经成为制约我国航空技术发展的壁垒。降低能源损耗,提高使用温度成为诸多发动机材料的发展方向。TiAl合金具有密度低、抗氧化性能好、比强度高等优点,是极具潜力的低压涡轮发动机备选材料。为探究激光增材制造技术所制备的TiAl合金在航空发动机上的应用前景,详细介绍了激光增材制造所需TiAl粉末和相关的激光增材制造技术,以及利用激光增材制造技术制造TiAl合金的研究现状。分析了使用激光增材制造技术制造TiAl合金的优势以及存在的缺点,提出了目前激光增材制造TiAl合金还需要深入研究的问题。

激光粉床增材制造不锈钢中氧化物夹杂调控的研究进展

激光粉床增材制造技术是一个涉及熔池移动、快速非平衡凝固、固态相变的复杂冶金过程,该过程的非均匀快速热-力耦合易导致金属制件出现翘曲变形、裂纹及孔洞、夹杂物、晶粒异常形核与长大等缺陷,这些缺陷会对金属制件的尺寸精度、致密度及力学性能等产生不利影响。激光粉床增材制造金属制件中非金属氧化物夹杂大多为内生夹杂物,产生于金属液脱氧以及极速熔化和凝固过程中的二次氧化,其种类、尺寸、形貌以及分布等物化特性直接影响或决定了金属产品的质量与性能,也是导致金属中产生各类缺陷的重要原因之一。分析了不锈钢材料激光粉床增材制造及后续热处理过程金属中氧化物夹杂的形成和演化及其对金属零件性能的影响性,并对不锈钢金属制件中氧化物夹杂特性的调控研究进展进行了总结,为激光粉床增材制造企业生产工艺优化提供了科学指导和理论依据。

粉床型电子束3D打印纯钨及W-Nb合金的显微组织及开裂机制

采用粉床型电子束3D打印技术制备了纯钨及固溶强化型W-Nb合金,对2种钨基材料的显微组织和裂纹缺陷进行了分析。研究发现:二者均沿逐层累积的方向形成柱状晶,Nb元素的加入使柱状晶的平均尺寸由109.78μm降至25.10μm。纯钨并未发生显著的开裂现象,但是W-Nb合金内部存在沿晶界分布的微裂纹。从热应力累积和凝固过程2个方面分析了钨基材料开裂的原因,粉床型电子束3D打印过程包含了熔池的快速凝固-快速冷却-高温保温几个阶段,过程中纯钨及W-Nb合金均发生了回复与再结晶,使成形过程中累积的热应力得到一定的释放,缓解了热应力累积引起的开裂现象。W-Nb合金的开裂主要是由于凝固过程中液态金属无法短时间内在枝晶间进行充分流动补缩,形成大量沿晶界分布的纳米微缩孔,在微小的应力作用下就会造成合金沿晶界开裂。

单线横涡式电子束聚焦线圈聚点束斑试验研究

为了寻找电子束熔粉设备的单线横涡式线圈在不同高度上电子束聚焦电流和束斑直径的标定,结合观察法和铜膜截束法获得了聚焦电流与聚焦距离关系。使用动态偏转扫描的方法在不同的聚焦距离处使用0.2mm厚的紫铜带截采电子束,最后拟合分析了获得的不同距离下的聚焦电流。结果发现,肉眼观察到的聚焦状态下的束斑并非最佳的聚焦状态;拟合发现随着聚焦距离的变小聚焦电流以幂函数的形式增长。对比不同聚焦距离下的最小束斑大小发现,随着聚焦距离的变小聚焦电流下的束斑直径也变小,但是束斑圆度变差,为本文提出的方法对选区熔粉成形工作距离的选择提供了指导性的依据。

滚筒振动对铺粉质量影响的离散元模拟

以Al2O3陶瓷粉末为研究对象,建立了Al2O3陶瓷粉末流动的离散元方法模型。针对增材制造铺粉工艺中滚筒振动对粉床质量的影响问题,模拟滚筒振动方向、振幅和频率对粉床的密实性、均匀性和平整度的影响规律。仿真结果表明:滚筒轴向振动可提高粉床密实性和均匀性,却会导致粉床平整度变差;滚筒径向振动会导致较差的粉床平整度,当振幅大于8μm时,颗粒的压缩和回弹效应导致粉床质量显著降低;滚筒切向振动可以提高粉床的密实性和均匀性,对粉床平整度影响很小,但切向振动频率过高容易引起粉末飞溅。研究表明在切向方向对滚筒施加低频的振动可以有效提高增材制造粉床质量。