选区激光熔化成形铜合金研究进展

铜合金具有良好的导电导热性,是众多行业的基础材料,随着高新技术的迅速发展,许多行业对高性能、高精度、复杂结构铜合金零部件需求日益增大。传统工艺可制备常规铜合金零件,但对于一些复杂结构铜合金零部件的制备存在困难。首先,本文综述了选区激光熔化成形铜及铜合金的研究进展,系统介绍了目前选区激光熔化成形纯铜所遇到的难点及解决方法;然后,综述了目前选区激光熔化成形不同系列铜合金的研究现状,重点介绍了不同系列铜合金成形件微观组织和力学性能及热处理后成形件微观组织和力学性能变化;最后总结了选区激光熔化成形铜及铜合金存在的问题及未来的研究方向。

电化学抛光对选区激光熔化成形Ti6Al4V牙冠表面质量及耐蚀性能的影响

研究了电化学抛光过程中电解液比例、电压、电解时间等参数对选区激光熔化成形Ti6Al4V牙冠表面质量及耐蚀性能的影响。结果表明,选区激光熔化成形的Ti6Al4V牙冠表面粗糙度较大,有明显的熔池边界及台阶,试样表面粘结大量粉末颗粒,初始粗糙度高达30μm。在体积比1:8的高氯酸和醋酸电解液中进行电化学抛光,当电压较小(10 V)时,只能去除表面粘附的粉末颗粒,抛光效果不明显;当抛光电压较高(50 V)或高氯酸和醋酸比例较大时,表面抛光过度,导致局部凹凸不平,粗糙度明显上升。在30 V电压下抛光30 min后,表面质量较好,表面粗糙度约为1μm,达到使用要求。经抛光处理后的Ti6Al4V牙冠表面的耐蚀性能大大提升,相比于未进行表面处理的牙冠,其耐蚀性能提高近一个数量级。

选区激光熔化成形Inconel 625高温合金的工艺及性能

为了研究选区激光熔化成形Inconel 625镍基高温合金工艺及性能,采用FORWARD LM120选择性激光熔化成形设备制备了试样,根据阿基米德原理和金相二值法测定材料的致密度,采用显微硬度仪表征材料的硬度,利用金相显微镜观察其表面形貌,分析最优参数下的拉伸性能及断口形貌。结果表明,相同条件下,随着扫描速度的提高,材料的致密度和硬度逐渐降低;随着激光功率的提高,试样的致密度和硬度呈现先上升然后逐步降低的趋势,在激光功率为315 W时材料的致密度达到峰值;随着扫描速度的降低,树枝晶的数量逐渐减少,胞状晶的数量逐渐增多且晶粒更细小;试样的抗拉强度和屈服强度均高于标准值,但材料的伸长率较低,断口形貌中存在细小的韧窝,并且韧窝的深度较浅。

国外选区激光熔化成形技术在航空航天领域应用现状

选区激光熔化成形技术具有制造精度高、表面质量好以及能够实现悬空、复杂内腔和型面等复杂构件的整体制造等特点,是满足航空航天领域中复杂薄壁精密构件高精度、高性能、高柔性与快速反应的理想制造方法。本文对国外选区激光熔化成形技术在航空航天领域的应用以及技术发展方向进行了分析。

双波长选区激光熔化成形中F-theta镜头光学设计

在选区激光熔化成形设备中,F-theta镜头是其重要的组成单元,一般采用单一波长作为光源。为了改善选区激光熔化成形性能,首次设计了由三片球面透镜组成的用于共轴双波长选区激光熔化成形的f-theta镜头。通过引入负畸变实现线性扫描,并选择合适玻璃材料、结构设计来消除色差。在扫描面积为120mm×120mm范围内,适用激光波长为532nm和1080nm,对这两波长激光的聚焦光斑分别小于30μm和60μm,横向色差分离小于1μm,满足高精度双波长激光同时共轴选区熔化成形的应用需求。

选区激光熔化成形Ti6Al4V合金微弧氧化生物活性膜层的制备、结构及性能

目的提升选区激光熔化成形(SLM)Ti6Al4V合金的生物活性。方法研究了不同电压对微弧氧化技术(MAO)在SLMTi6Al4V表面制备含钙磷生物陶瓷涂层的影响。通过扫描电子显微镜(SEM)、能量分散X射线光谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)等分析和研究了不同电压下微弧氧化涂层的显微结构、组织和成分等性能,并通过接触角测量和模拟体液浸泡实验及后续的红外光谱分析(FT-IR)等检验涂层的生物活性。结果经过微弧氧化处理,SLM Ti6Al4V表面含一定比例的钙磷且与基体结合良好的涂层,涂层的主要物相为锐钛矿,涂层厚度、钙/磷含量以及锐钛矿组织含量均随电压的升高而增加。300 V电压制备的膜层,表面均匀,钙、磷的原子数分数分别为7.04%、9.65%。涂层截面质量均一,厚度适宜,为3.19μm,且随着涂层增厚,基体元素Ti含量下降,Ca、P和O元素的含量增加。300V电压制备的膜层润湿性相比SLM Ti6Al4V基体的更好,膜层在SBF溶液中浸泡35天后,钙、磷比由0.73增加到1.2,并有羟基磷灰石生成。结论 SLM Ti6Al4V通过微弧氧化技术制备生物活性膜层的最优电压为300 V,经过微弧氧化后的钛合金表面生物活性得到提升。

选区激光熔化成形Hastelloy X合金持久性能研究

通过对选区激光熔化成形Hastelloy X合金持久试样进行组织性能与断口分析,研究Hastelloy X合金持久断裂模式及影响持久性能的主要因素,并对选区激光熔化成形与后处理过程进行组织演变规律追踪。分析认为,选区激光熔化成形Hastelloy X合金持久断裂模式为微孔聚合型沿晶韧窝断裂,碳化物的形态与数量、晶粒形态和取向是影响持久性能的主要因素。晶界薄膜状和较大颗粒状碳化物主要产生在热处理与热等静压冷却阶段,后续将调整后处理过程冷却速率,在碳化物析出峰附近快速冷却,控制碳化物形态与数量以有效提升Hastelloy X合金持久性能。

选区激光熔化成形TA15钛合金的组织与拉伸性能

采用选区激光熔化成形TA15钛合金试样,利用OM、SEM等表征手段分析了选区激光熔化成形TA15钛合金组织形貌,并与板材的组织进行了对比;测试了成形试样的室温和高温拉伸性能。结果表明:可以通过选区激光熔化成形技术制备TA15钛合金,制备的TA15钛合金沿着沉积方向不断外延生长,组织呈细长柱状晶形貌,晶粒内部析出针状和片层状α相,与板材原始β晶粒被充分破碎,不存在连续的、平直的晶界,α相形貌不规则的组织存在较大差异。选区激光熔化成形TA15钛合金室温拉伸和高温拉伸性能均很优异,达到40mm厚钛合金板材水平,且横纵向性能呈现各向同性。

316L不锈钢选区激光熔化成形冶金缺陷控制的研究进展

选区激光熔化(SLM)技术是增材制造金属件的成形方法之一,其成形参数多,工艺尚不成熟。316L不锈钢SLM成形件存在冶金缺陷如孔隙、裂纹、残余应力、应变等。本文从316L不锈钢SLM打印过程出发,分析归纳了SLM打印准备阶段、打印阶段、后处理阶段的各可控参数,重点介绍了这些参数对冶金缺陷和力学性能的影响规律,同时对后续的研究方向进行了展望。

热等静压对激光选区熔化成形GH4169合金组织与高温性能的影响

GH4169合金通常于高温环境下服役,增材制造的GH4169合金高温性能往往低于锻件标准,影响其服役安全性,有必要通过热处理手段提高其安全性。采用激光选区熔化技术(SLM)制备GH4169合金,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱分析(EDS)等表征手段,探究热等静压热处理工艺对SLM成形GH4169合金微观组织、高温拉伸性能和高温持久性能的影响。结果表明:与常规热处理工艺相比,经过热等静压处理后的GH4169合金晶粒为等轴晶,气孔基本消失,Laves相基本消失,短棒状δ相在晶界处更加连续,颗粒状γ''相在晶粒内部大量析出,晶粒得到明显细化。热等静压处理后GH4169合金在扫描方向与沉积方向上的650℃抗拉强度分别为1053 MPa和1051 MPa,断后伸长率分别为8.6%和8.5%;高温持久时间分别为1620 min和2065 min,高温持久时间分别提升了90倍和30倍。高温抗拉强度和高温持久时间均高于锻件的性能指标,断后伸长率尚未超过锻件标准。

选区激光熔化成形316L不锈钢的显微组织结构

利用光学显微镜(OM)、X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)等方法,对比研究了热轧和选区激光熔化(SLM)成形316L不锈钢水平面(X-Y面)和建造面(X-Z面)显微组织特征。结果表明,两种方法制备的316L不锈钢均主要由奥氏体相组成。与轧制合金相比,SLM制备的316L不锈钢有着更多的低角度晶界和亚晶界,位错密度更大。其中,SLM成形316L不锈钢X-Y面存在平行于(110)方向上的织构,X-Z面存在平行于(001)方向上的织构。X-Y面上晶粒取向偏离(001)方向,可能与重熔过程中复杂的热流有关;X-Z面在(001)方向上存在织构且在(001)的织构指数最大,这是因为在SLM成形过程中,晶体的生长方式与建造方向平行,且晶粒沿着(001)方向散热最快,因此晶粒沿(001)方向呈择优生长。

Al-Mg-Li合金选区激光熔化成形及热处理工艺

设计并制备了多种不同成分的铝锂合金粉末,对其进行了选区激光熔化(SLM)成形,选取高致密、无裂纹的自研铝镁锂合金成形零件进行了热处理工艺研究。结果表明,第三代Al-Li-Cu系铝锂合金在选区激光熔化成形快速凝固过程中极易产生微裂纹,第二代Al-Li-Mg系合金较为适合选区激光熔化成形,能够得到高致密、无裂纹的成形样件;选区激光熔化成形铝镁锂合金在200℃进行时效热处理,强化相主要为δ′相,时效48 h达到峰时效状态,继续延长时效时间,其力学性能有所下降。

激光选区熔化成形半圆孔悬垂结构变形及残余应力研究

基于Simufact additive建立激光选区熔化(selective laser melting,SLM)成形AlSi10Mg合金无支撑半圆孔悬垂结构的仿真模型,分析了不同工序总变形量和残余应力变化情况,研究了几何参数厚度、内/外圆半径对最大总变形量和最大残余应力的影响。结果表明,随着半圆孔厚度增加,最大总变形量和最大残余应力呈增大趋势;半圆孔内圆半径变大,最大总变形量呈增大趋势;半圆孔外圆半径变大,最大总变形量呈减小趋势,但对总变形量影响程度较小。

异形毛细结构喷注器激光选区熔化成形技术分析

异形毛细喷注器是姿控发动机的核心组件,此类构件对流道内表面质量要求极高。为了实现激光选区熔化成形技术推广应用于上述产品以达到型号产品快速研制的目的,以异形毛细微孔流道表面质量为研究对象,利用激光超景深显微镜研究了不同成形角度下小孔表面形貌特征、表面粗糙度的变化规律,确定了异形毛细结构的成形角度在75°~90°范围内,成形构件上、下表皮表面质量均良好。基于异形毛细结构表面光整技术研究,实现了异形毛细结构的均匀光整,尺寸精度达±0.05 mm,表面粗糙度小于6.3μm,通过液流试验验证了激光选区熔化成形某喷注器液流性能,实现了异形毛细结构姿控喷注器的高性能一体化成形。

TC4多孔件选区激光熔化成形及力学性能分析

采用选区激光熔化成形技术制备了2种钛合金体心立方多孔结构(bcc和bcc-z)制件,验证了其成形复杂孔制件的可行性;对其进行了静态压缩试验。结果表明,制件沿近45°方向断裂;压缩试验应力-应变曲线表明,多孔件使材料抗压强度大大减小,且随着边/径比和孔隙率的增大而峰值应力减小。同时,在边/径比和孔隙率相差不大的情况下,bcc-z结构承受载荷的能力明显高于bcc结构;通过有限元模拟分析了bcc制件在压缩过程中的应力分布情况,针对单元体节点处的应力集中现象,提出了节点加固方法。同时预测了多孔制件的弹性模量和屈服强度。模拟与试验结果基本吻合。

激光选区熔化成形技术在航空航天领域应用现状

SLM又称为激光选区熔化成形,作为众多增材制造(AM)方式的一种,以金属粉末作为原材料,通过计算机软件规划出数据模型的扫描路径,控制高能量密度激光在保护气氛中快速烧结成型所需工件。这种方式生产的净成形零件不仅在功能上能满足现有需求,在零部件一体化、轻量化、拓扑优化和复杂流道方面也具有天然的优势。能为研发设计人员带来更多的设计灵感、加快原型验证,现已成为航空航天领域重要的应用、研究方向。本文主要介绍了航空航天领域SLM常用的材料体系,重点介绍了SLM技术在航空航天领域的典型应用,并探讨了SLM技术存在的问题以及未来的重点研究方向。

激光选区熔化成形TC4钛合金表面粘粉及残余应力研究

采用激光选区熔化成形技术制备了TC4钛合金试样,检测分析了试样的表面粘粉现象及表面残余应力分布状态。在保证熔池充分熔化的前提下,减少熔池热输入可有效缓解成形件表面的粘粉现象。成形件沿生长方向存在较大的拉伸残余应力,易导致层间剥离,应通过后续热处理减小残余应力累积。

Ti-6Al-4V钛合金激光选区熔化成形工艺及性能研究

将激光功率和扫描速度作为主要的工艺参数,进行了Ti-6Al-4V钛合金激光选区熔化成形(SLM)试验。结果表明,激光功率为300 W,扫描速度为1.0 m/s时,SLM成形试件的抗拉强度达到1150 MPa,伸长率达到9.5%,抗拉强度和伸长率都较高。激光热输入不足时,试块抗拉强度不能满足使用要求,激光热输入过高时,试件塑性降低。对试件分别进行了普通退火、再结晶退火以及固溶时效处理。热处理后,试件的抗拉强度都明显降低,其中再结晶退火热处理后,试块的组织为等轴α+β相,抗拉强度降到893 MPa,伸长率达到11.9%,塑性显著提高。

面向钛合金叶片激光选区熔化成形设备控制系统设计研究

针对钛合金激光选区熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)成形技术在航空应用的开发需求,设计开发了一套SLM成型设备控制系统。首先介绍了SLM设备结构组成,在已有SLM设备机械结构的基础上,提出以ZMC420SCAN控制器为核心的SLM设备控制方案。并对其控制系统进行了设计和配以相应驱动执行部件,设计了二维振镜扫描控制单元等关键单元模块,并组成了SLM模块化成套控制系统,控制器内部方便集成各种硬件控制模块,通过开发振镜控制技术实现运动控制与振镜联合插补运动,保证了SLM设备在运行过程中激光烧结运动的自动稳定控制,最后验证了该系统在航空发动机叶片成形过程控制的有效性。

热等静压/热处理工艺对激光选区熔化成形GH4169合金微观组织与拉伸性能的影响

采用激光选区熔化(SLM)成形技术制备GH4169合金,利用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)和透射电镜(TEM)等分析热等静压/热处理工艺对SLM成形GH4169合金微观组织及拉伸性能的影响规律.结果表明:沉积态合金组织中,沿沉积方向的晶粒为柱状晶,晶粒内枝晶组织细小,枝晶间分布大量Laves相;经热等静压后,合金中的气孔及Laves相可被有效消除,沿沉积方向的晶粒转变为等轴晶;经980℃/1 h固溶处理后,合金中的晶界处析出大量短棒状δ相.热等静压/热处理后G H4169合金试样的室温及650℃拉伸性能均高于锻件标准要求的力学性能指标,且温度对断裂方式影响不大.