基于激光选区熔化技术的金属悬垂圆孔结构无支撑成形工艺优化与质量研究

基于激光选区熔化(SLM)技术制造的随形冷却模具,凭借其优异的冷却性能,能够显著提高加工效率,有效降低生产成本,成为未来注塑成型模具的重要发展方向,但目前在使用SLM技术成形随形冷却模具内部的圆形流道方面仍存在诸多挑战。在SLM成形时,随形冷却模具内部圆形流道的结构主要表现为悬垂圆孔结构,若直接使用传统工艺策略成形悬垂圆孔结构易出现翘曲、粘粉等缺陷,同时由于随形冷却模具内部流道复杂的特点,其内部流道无法通过添加支撑辅助成形。采用在模具外侧添加支撑结构的方法,可调整模具成形角度,增强悬垂圆孔结构自支撑性,但会增加额外成形时间与成形材料,导致生产成本增高。优化悬垂圆孔结构无支撑成形工艺,实现在不添加支撑结构的前提下满足随形冷却模具对流道成形质量要求,能够有效降低随形冷却模具生产成本并获得高质量成型件。本文对金属悬垂圆孔结构成形工艺策略进行优化,以316L不锈钢悬垂圆孔结构为对象,分析了工艺策略、孔径对悬垂圆孔成形质量的影响。采用一种基于加工层角度自适应的下表面工艺区域划分策略,研究该工艺区策略对于无支撑金属悬垂圆孔成形的适用性,并使用该工艺制造冷却模具样件,对成件的成形质量进行分析。结果表明采用基于加工层角度自适应的下表面工艺区域划分策略可明显抑制成形过程中的翘曲行为。使用该工艺策略成形的随形水冷模具样件无明显质量缺陷,内部流道的表面质量与成形精度满足使用要求。

激光选区熔化技术AlSi10Mg大层厚工艺参数优化

激光选区熔化技术是金属增材制造的主流技术之一,AlSi10Mg具有强度高、力学性能好等优点,广泛应用于汽车零部件、航空航天等行业,在部分轻型零件中可替代高成本的钛合金。在成型基板上不同位置设计9个方形结构试块,采用80μm大层厚,研究激光功率、扫描间距、扫描速度三个工艺参数对制件致密度的影响规律与主次顺序,研究结果可为工业生产中AlSi10Mg的应用与推广提供理论基础和实验依据。

选区激光熔化成形工艺参数对CuCrZr合金组织和性能的影响

选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备的高性能复杂结构铜铬锆合金在电子元件、传热器等领域中具有广泛的应用前景。以CuCrZr合金粉末为原材料,采用SLM技术制备了块状CuCrZr合金样品,研究了激光体能量密度对SLM CuCrZr合金微观结构和性能的影响。结果表明:随着体能量密度的增加,试样表面因输入体能量密度较低,熔池流动性差异导致的不规则孔洞减少。最佳输入体能量密度为267 J/mm^(3)(P=400 W,V=500 mm/s,h=0.1 mm),在最佳加工条件下SLM CuCrZr合金试样致密度可达98.34%,导电率为18.68%IACS,试样的极限抗拉强度和显微硬度均达到了最大值,分别为330.63 MPa和147.54HV。XRD结果表明,SLM CuCrZr合金试样的相组成仅为α-Cu,且试样的布拉格峰与CuCrZr合金粉末的布拉格峰存在明显差异,此外,根据EBSD分析,在SLM过程中试样XY面产生了{110}强织构;SLM CuCrZr合金的断裂伸长率达到40.95%,拉伸断口形貌表明,未熔颗粒和孔洞等缺陷是降低合金强度的关键因素。

激光选区熔化成形工艺对TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术制备TA15钛合金,通过光学显微镜(Optical microscope,OM)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和室温拉伸等研究了激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响规律。结果表明:在低激光功率(100~125 W)、高扫描速率(1200~1600 mm/s)区域,激光能量密度较低,合金内部缺陷主要为不规则形状的缺陷;在高激光功率(150~200 W)、低扫描速度(800~1000 mm/s)区域,激光能量密度过高,合金内部缺陷主要为规则球形缺陷。规则球形缺陷的存在会导致合金塑性显著降低、对强度影响较弱;而不规则未熔合缺陷的存在会显著降低合金强度和伸长率。TA15钛合金的最佳工艺参数:激光功率为200 W、激光扫描速度为1600 mm/s时,成形合金拉伸强度为(1291±4.2)MPa,断裂伸长率为(8.5±0.5)%。

基于激光熔化技术加工工艺参数优化研究

为进一步提升选区激光熔化技术加工材料的质量,提出一种基于PSO-BP神经网络的工艺参数优化模型,通过提升致密度进一步提升材料质量。其中,使用粒子群优化算法PSO对BP神经网络进行参数优化,进一步提升参数优化预测精度。实验结果表明,与基于传统的BP神经网络优化预测模型相比,基于PSO-BP神经网络的工艺参数优化模型具有更高的预测精度,优化后的预测致密度值更加接近于真实值,且优化预测过程的稳定性更好,更加适用于选区激光熔化技术的工艺参数优化,实现效果更佳的质量提升。

数据驱动选区激光熔化成形性能优化与智能工艺研究进展

选区激光熔化(SLM)是一种革命性的金属增材制造技术,传统方法难以实现SLM零件多项性能目标协同优化和智能化工艺推荐。为此本文报道了新兴的数据驱动方法在SLM成形性能优化及成形机理探索方面进展。首先,阐明了数据驱动已成为促进SLM成形高性能零件的趋势选择;其次,报道了SLM成形单性能和多性能目标优化,总结了存在挑战并指出优化方向,并提出了一套通用的数据驱动SLM智能工艺推荐系统研究框架、构建方案和多维评价准则;再次,综述了数据驱动SLM成形机理并阐明了其发展方向;最后,探讨了数据驱动SLM目前存在的问题及发展趋势。通过对成形性能优化与成形机理进行总结,旨在促进增材制造工艺优化迈向智能化,促进SLM成形构件高质量,高综合性能发展。

选区激光熔化成形NiTi合金工艺参数对表面粗糙度的影响规律

目的针对选区激光熔化(SLM)制备NiTi形状记忆合金表面粗糙度难以满足实际应用要求,通过优化工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距)以有效地降低表面粗糙度以及研究各工艺参数对表面粗糙度的影响规律。方法采用L16正交阵列的田口模型设计选区激光熔化制备NiTi样品的工艺参数,通过对表面粗糙度信噪比值进行统计方法分析以及样品表面形貌的表征,研究不同工艺参数对表面粗糙度的影响程度以及影响机理,最终优化出制备低表面粗糙度的工艺参数组合。结果在激光功率为20 W和30 W时,NiTi粉末不能够充分熔化造成熔道不连续,使得样品表面起伏增大,粗糙度值最大到7.8μm;增大激光功率到40W和50W时,粉末充分熔化,样品表面形貌明显改善;在相同功率下,扫描速度从200mm/s增加到500mm/s时,样品的粗糙度值也随之增大。结论工艺参数对表面粗糙度影响的重要性顺序依次为激光功率、扫描速度、扫描间距;最终优化出的工艺参数组合为激光功率50W、扫描速度200mm/s、扫描间距0.07mm,并在该工艺参数下制备的样品表面粗糙度值为1.38μm,与模型预测的值1.43μm接近,相差仅为9.97%。

基于激光选区熔化技术炮闩击发推杆应急构型设计

针对战时利用激光选区熔化技术直接制备炮闩原件存在制造时间较长的问题,提出一种基于激光选区熔化技术的炮闩击发推杆应急构型设计方法。采用有限元仿真技术和冲击试验,研究点阵结构的抗冲击性能以及点阵结构应用于应急构型设计的可行性。通过静力学仿真方法设计分体式击发推杆应急构型,设计力学性能试验校验其力学性能和服役性能是否满足使用要求。研究结果表明:体心立方(Body-Centered Cubic,BCC)、加Z向杆的体心立方(Body-Centered Cubic with Z-rod,BCC_Z)、面心立方(Face-Centred Cubic,F_(2) CC)、加Z向杆的面心立方(Face-Centered Cubic with Z-rod,F_(2) CC_Z)4种点阵结构中,BCC_Z综合性能更优异,抗冲击性能较好;与原击发推杆相比,应急构型击发推杆制造时间减少21.56%,体积缩减25.65%,最大冲击载荷降低32.14%,完成100次反复开关闩实装测试实验后应急构型击发推杆表面无明显磨损,具有良好的服役性能,能够满足使用要求,验证了用于战场抢修需求的应急构型击发推杆设计方法的有效性。

选区激光熔化制备IN738LC流道的电化学抛光工艺

目的改善选区激光熔化制备的流道部件内表面的成形质量。方法采取内置阴极的电极排布方式,对IN738LC流道内表面进行电化学抛光,在磷酸-硫酸体系下对电解液配比进行试验优化,同时确定适用于流道内表面电化学抛光的最佳添加剂(丙三醇)添加量、温度区间、外加电压等主要工艺参数。采用激光共聚焦显微镜与表面轮廓仪测量流道内表面的表面粗糙度以评价电化学抛光效果,并通过光学显微镜对抛光前后流道内表面形貌变化进行对比与分析。结果在60%(体积分数)磷酸与15%(体积分数)硫酸的混合电解液中,IN738LC流道内表面取得了最佳的抛光效果,表面粗糙度降低最多。在每100 mL混合电解液中加入6 mL的丙三醇,可以进一步提高抛光效果;最佳抛光温度为50~60℃;在2.3 V(vs.MSE)的外加电压下,可以实现SLM制备流道粗糙内部表面的高选择性电化学抛光,直流道内表面粗糙度由约10μm降低至1.12μm。结论与常规电化学抛光采用的极限电流平台中间电压1.7 V(vs.MSE)相比,新型过电位电化学抛光所采用的特殊电压2.1~2.3 V(vs.MSE)明显更适用于选区激光熔化成形的复杂流道内表面,在不带来表面损伤的前提下,最大限度地实现了黏附颗粒的选择性去除。在合适的电解液中加入适量甘油使抛光后内表面的熔道轮廓更加平滑,电化学抛光的整体均匀性有所提高。过电位抛光方法在局部选择性和整体均匀性上的优异表现,证明了其在增材制造复杂构件表面光整方面具有极高的应用价值。

激光工艺参数对激光选区熔化牙科钴铬合金孔隙、表面粗糙度和硬度的影响

目的为应对义齿加工厂在制备基于激光选区熔化(SLM)技术的牙科钴铬合金口腔修复体时因高孔隙率引发的质量问题,探究了不同成型工艺参数对材料微观结构及性能的影响机制,并据此精确界定了能够有效降低缺陷的口腔修复体成型工艺参数范围。方法通过调整SLM过程中的打印参数,探讨激光功率、扫描速度以及扫描间距对牙科钴铬合金成型件孔隙特性、表面粗糙度及硬度的影响。借助金相微观分析结合图像分析和熔池模拟技术,揭示孔隙的形成机制,并阐明了SLM牙科钴铬合金孔隙率与能量密度之间的关联。结果线能量密度高于0.18 J/mm时,熔池底部易出现气孔缺陷;激光能量密度低于0.13 J/mm时,熔池间隙内则因粉末未充分熔化而产生缺陷。尤其是当线能量密度超出0.30 J/mm或低于0.12 J/mm的阈值时,孔隙率显著升高至超过1%。此外,SLM牙科钴铬合金的自由面粗糙度与能量密度之间呈负相关关系,宏观硬度与孔隙率之间呈反比关系。结论基于本研究采用的原材料及成型设备条件,成功确定了SLM成型件孔隙率低于1%的关键工艺参数。具体而言,这些关键参数涵盖了线能量密度,其取值范围为0.13~0.30J/mm,同时,扫描间距应严格控制在90μm以下。

不同热处理工艺对选区激光熔化TC4动载性能及各向异性的影响

选区激光熔化成形的TC4合金断裂韧性较差,低周疲劳性能较低,各向异性明显。采用循环退火(700~950℃)和固溶时效相结合的方法对TC4成形件进行热处理,利用光学显微镜、扫描电子显微镜、低周疲劳试验机等手段研究热处理对SLM TC4成形件显微组织和力学性能的影响。研究表明,SLM TC4微观组织由马氏体α′和马氏体α″组成,断裂韧性值为36.4 MPa·m0.5,断裂韧性各向异性达25.7%;热处理后部分板条α相分解,产生等轴α相和二次α相;经过700~950℃循环5次后固溶+550℃时效后SLM TC4的断裂韧性值为96.0 MPa·m0.5,断裂韧性的各向异性为1.4%。通过比较热处理样件和锻件低周疲劳性能得出结论,当应变幅≥0.9%时,热处理件低周疲劳性能高于锻件;当应变幅≤1%时,920℃循环退火+550℃固溶时效的低周疲劳性能高于920℃循环退火。

GH4169合金激光选区熔化成形工艺与缺陷特征的相关性

通过改变激光选区熔化成形工艺,即激光功率和扫描速度,制备多个GH4169试样。采用金相法观察显微组织及其内部缺陷的形貌与分布,采用X射线断层成像获得试样孔隙率,并统计分析缺陷三维特征,研究成形工艺与缺陷特征的相关性。结果表明:当能量输入密度为59.1 J/mm^(3)的优化工艺时成形试样中互相搭接的熔道形貌齐整、随机分布的规则气孔尺寸小于30μm、致密度高达99.9998%。在较窄的工艺窗口下(220~300 W、700~1300 mm/s),试样致密度对扫描速度更为敏感,高扫描速度易形成分布在熔道搭接区内极不规则的未熔合。偏离优化工艺时,缺陷数量增多,部分缺陷尺寸大于30μm,其中高激光功率形成的气孔形状或高扫描速度形成的未熔合形状都与各自的尺寸密切相关,即尺寸越大,形状越不规则,产生的不利影响要远大于规则气孔。

工艺参数对选区激光熔化CuCrZr合金单道次熔道特性的影响

选区激光熔化(selective laser melting, SLM)制备合金过程中,材料经历了快速熔化和凝固,工艺参数选择不当可能导致熔道出现缺陷。本文通过微观尺度下的数值模拟和实验证实,旨在研究不同工艺参数下单层单道次SLM过程中CuCrZr合金的熔道特征。模拟与实验结果表明,在单道次打印过程中,激光功率和扫描速率的变化会对熔池形貌产生影响。当激光功率从250 W增加到450 W时,熔道宽度逐渐增加至124μm,并且熔道表面出现波纹形貌。而当扫描速率从0.4 m/s增加到0.8 m/s时,熔道宽度逐渐减小,波纹形貌消失。当激光功率为250 W,扫描速率为0.8 m/s时,激光能量输入不足,导致熔道出现球化现象。然而,随着激光功率的增加,球化现象消失,金属粉末颗粒在熔道边缘局部熔化,导致单道不平直现象的出现。

选区激光熔化316L不锈钢随形冷却通道电解抛光工艺优化

[目的]改善选区激光熔化(SLM)制备的316L不锈钢随形冷却通道内壁的表面品质。[方法]采用由NaCl、乙二醇及三乙醇胺组成的绿色环保电解液,通过阴阳极互换的方式对316L不锈钢随形冷却通道内壁进行电解抛光,通过正交试验及单因素实验探究阳极电流密度、温度、阴阳极置换次数及每次的电解时间对样件表面粗糙度及微观形貌的影响。[结果]电解抛光的较优工艺条件为:阳极电流密度0.55 A/cm^(2),温度40℃,阴阳极置换3次,单次电解10 min,总电解抛光时长60 min。在该条件下电解抛光后,冷却通道内壁光亮平整,表面粗糙度Sa为0.436μm。[结论]电解抛光能够显著提高以SLM工艺制备的随形冷却通道的表面品质。本文的研究结果可为模具工业注塑模型制造提供技术参考。

选区激光熔化430不锈钢成形工艺优化

研究了选区激光熔化(SLM)430不锈钢线-面-体的成形质量与工艺参数之间的关系。设计了单熔道、多道搭接以及块体成形试验,分析了SLM过程中缺陷形成的原因,以致密度为评价指标,确定SLM430不锈钢的最佳成形参数。结果表明:高功率低扫描速度有利于获得连续均匀的单熔道形貌,当激光功率为200 W、扫描速度为800 mm/s时,熔道宽度分布均匀。多道搭接的结果显示表面粗糙度随扫描间距的增加先降低后升高,扫描间距为0.08 mm时粗糙度最小,为3.88μm,表面成形质量最佳。通过正交试验分析,发现3种因素对块体成形件相对致密度影响的显著性排序为:扫描速度>激光功率>扫描间距;相对致密度随扫描速度的增大而减小;随着激光功率和扫描间距的增加,相对致密度呈现先升高后降低的趋势;最终确定SLM 430不锈钢的最佳成形工艺参数组合为激光功率200 W、扫描速度600 mm/s、扫描间距0.08 mm,该参数下成形件相对致密度达99.56%。

激光选区熔化技术制备NiTi合金的研究进展与应用

NiTi合金作为一种典型的形状记忆合金,除了具有独特的形状记忆效应,还拥有优异的超弹性、生物相容性和力学性能,广泛应用于医学、机械、微电子等领域。然而,由于该合金延展性过高、加工硬化、低热导等问题,传统的切削方法加工工艺复杂、成本高,限制了其工程化应用。增材制造技术(Additive manufacturing, AM)又称3D打印技术,以其独特的一体化成形的技术优势,有效地改善了传统加工方法存在的问题。对此,国内外学者对激光选区熔化(SLM) 3D打印镍钛合金成形工艺进行了大量研究,并取得了丰硕成果。综述了近年来选区激光熔化镍钛的研究进展,简述了选区激光熔化和热处理工艺与镍钛合金的相变温度、组织结构、力学性能等映射关系,着重分析了SLM工艺参数对镍钛合金超弹性的影响规律,揭示了其影响机制,介绍了激光选区熔化镍钛合金的在医学领域的应用,并对未来NiTi合金的增材制造技术的发展提出了展望。

选区激光熔化的微流道换热器芯体传热板成型工艺

为解决传统工艺存在的截面形状受限、污染环境等问题,研究采用选区激光熔化技术制备高通量微流道换热器芯体传热板.分析传热板的几何形状、316L不锈钢粉末的材料特性及主要成型工艺参数,采用Altair Inspire软件的Print3D模块对成型过程进行仿真模拟,研究温度场、Mises应力和塑性应变的分布及变化规律.结果表明:熔化成型区温度随着激光的射入和远离发生剧烈变化;由于激光能量在制件内的累积效应,使得后成型区域的温度明显大于先成型区域.Mises应力和塑性应变与换热板的结构和温度场有密切关系,流道位置结构复杂,Mises应力和塑性应变较大;温度越高的区域金属粉末熔化越充分,Mises应力和塑性应变的值越小.

基于选区激光熔化技术的空心变截面梁点阵建模与性能研究

针对点阵结构受力不均、材料分布不合理和功能性单一等问题,设计了一种空心变截面梁点阵。该点阵主要由空心变截面梁和无冠空心球体组成,优化了节点连接方式,改善了材料分布,相比于传统体心立方点阵更具优势。完成了空心变截面梁点阵结构几何分析,基于点阵的几何数据模型和铁木辛柯梁理论推导了点阵结构参数与相对密度和力学性能之间的函数关系。设计了单胞边长10 mm空心变截面梁点阵,在同一相对密度、不同曲率半径的变截面梁点阵进行了准静态压缩仿真模拟,采用选区激光熔化技术制备了变截面梁点阵,进行了形貌分析和准静态压缩试验。结果表明:压缩仿真结果与实验结果趋势吻合,空心变截面梁点阵相比于传统体心立方点阵性能更优,外轮廓曲率半径为4 mm时力学性能最优,相比于普通点阵承载能力提高43%;变截面梁外轮廓及内孔光洁度较高,扫描提取模型与原模型相比偏差在0.25 mm以内。

激光选区熔化制备纯钽异形零件的工艺及力学性能

用激光选区熔化技术(SLM)制备纯钽试样,对在不同工艺参数下制备的钽试样表面质量、致密度进行分析。确定最优参数,并对最优参数试样的显微组织与力学性能进行分析。结果表明:激光功率为310 W,扫描速度为440 mm/s,铺粉层厚为0.04 mm,扫描间距为0.06 mm时制备的试样致密度为99.76%;金相为单相组织、等轴晶粒,平均抗拉强度为672 MPa、屈服强度为623 MPa、伸长率为23.2%;在此工艺参数下制备的异形零件,在退火温度为950~1450℃,保温时间为120 min时制备的零件质量良好,成品无裂痕、无缺陷,为最优参数组合。

Al-Mn-Sc合金的选区激光熔化工艺优化及室温与高温力学性能研究

通过探究能量密度对Al-4.5Mn-1.5Mg-0.6Sc-0.2Zr(wt.%)合金致密度的影响,优化其成形工艺,并进一步分析该合金在时效过程中组织变化及其室温与高温力学性能。结果表明:随着能量密度增大,合金致密度先增后减。当能量密度为77.6 J/mm^(3)时,即激光功率275 W、扫描速率985 mm/s、扫描间距0.12 mm、层厚0.03 mm,可获得致密的、缺陷少的合金材料。沉积态合金显微组织由等轴晶和柱状晶组成,周围分布着细小富Mn相;300℃/5 h时效后,晶内析出大量纳米Al_(3)(Sc,Zr)相。同时,时效后合金表现出优异的室温与高温力学性能,其室温屈服强度、抗拉强度和伸长率分别是500 MPa、536 MPa和12.3%,高温(250℃)屈服强度、抗拉强度和伸长率分别为224 MPa、299 MPa和11.5%。