金属增材制造工艺、材料及成形机理的研究与应用

作为一种快速、精密、自由制造的关键成形工艺,3D打印在推动工业化和产业发展方面发挥了重要作用。通过介绍金属3D打印技术,主要围绕选择性激光、电化学和电子束增材制造技术等工艺原理和关键技术,深入探讨了增材制造技术制备金属材料零部件的特性及其应用,同时详细阐述了它们的成形机理并探讨了金属3D打印技术所面临的主要问题和挑战。最后,对金属增材制造技术领域未来的发展趋势和研究重点进行了展望。

冷金属过渡电弧增材制造5183铝合金温度场的数值模拟

利用有限元分析软件ABAQUS使用生死单元法建立冷金属过渡(CMT)电弧增材制造单道10层5183铝合金模型,模拟分析了增材制造过程中温度场的分布和变化规律,并进行试验验证;采用该模拟方法研究了增材制造路径(单向和交叉路径)、层间冷却时间(20,40,60 s)和焊接速度(400,450,500 mm·min^(-1))对温度场的影响。结果表明:模拟得到在CMT电弧增材制造过程中基板某点的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,且峰值温度和波谷温度与试验结果的相对误差均不大于8.93%,验证了模型的准确性。随着堆焊层数的增加,熔池峰值温度升高,熔池区域变大;单向路径增材制造会在试样收弧端产生较严重的热积累,而交叉路径可以减弱热积累效应;层间冷却时间越长,焊道中点的峰值温度越低,且降低幅度随冷却时间的延长而逐渐减弱;焊道的峰值温度和波谷温度随焊接速度的增加而降低。

航空航天领域用增材制造金属材料的研究进展

从航空航天领域对增材制造金属材料的需求出发,介绍了增材制造金属材料在航空航天领域的应用以及市场规模。评述了铁基合金、镍基合金、钛合金、铝合金等增材制造合金的微观组织和力学性能。总结了4种增材制造合金在航空航天领域关键零件中的典型应用实例。指出了航空航天领域用增材制造金属材料存在的问题及未来的研究方向。

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。

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。

基于二次通用旋转组合设计的冷金属过渡电弧增材制造AZ31镁合金焊道截面尺寸研究

基于冷金属过渡的电弧增材制造技术制备了AZ31镁合金单道试样,测试了单道试样的焊道宽度和焊道高度。根据二次通用旋转组合试验设计与二次多项式逐步回归分析,建立了高度显著的焊道宽度和焊道高度与摆动宽度、焊接速度、送丝速度和基板温度等工艺参数间的关系式。结果表明,工艺参数对焊道宽度的影响主次顺序依次为摆动宽度、送丝速度、基板温度、焊接速度,对焊道高度的影响主次顺序依次为焊接速度、摆动宽度、基板温度、送丝速度。随摆动宽度的增大,焊道宽度逐渐增大,焊道高度逐渐减小;随焊接速度的提高,焊道宽度和焊道高度均逐渐减小;随送丝速度的提高,焊道宽度和焊道高度也随之同步增大;随基板温度升高,焊道宽度增大,焊道高度降低。

激光增材制造网状结构金属基复合材料的研究进展

相较于传统增强相呈均匀分布的金属基复合材料,网状结构金属基复合材料因其独特的“机械互锁”“位错钉扎”等组织结构特征,具有更优异的室温强度、高温强度、弹性模量和断裂韧性,在航天、航空等领域上具有广泛的应用前景。激光增材制造技术可实现对网状结构的精细化调控,为网状结构金属基复合材料的进一步发展提供了新的途径。本文综述了高能量激光束诱导马兰戈尼对流作用下网状结构金属基复合材料的形成机理、影响网状结构形成的因素、不同类型网状结构的显微组织结构特征,分析了网状结构金属基复合材料的多段弯曲断裂、微孔聚集断裂等断裂机制,阐述了在霍尔−佩奇、奥罗万、泰勒、载荷传递等强化机制共同作用下的强化机理,以及独特的增强相贫、富区协同作用下的韧化机理,并对其未来的研究方向进行了展望。

增材制造钛基金字塔点阵结构对镁/钛双金属复合材料界面强化的优化

采用超声辅助固-液复合铸造的方法,通过在界面处采用增材制造的钛基金字塔型点阵材料制备镁/钛异种双金属复合材料。采用正交法对点阵结构参数进行优化。结果表明,优化后的点阵结构参数为:杆直径(d)1 mm,杆长与杆直径比(l/d)3,上节点和下节点直径与杆直径比(d_(1)/d,d_(2)/d)均为2.5,其中l/dd是影响接头失效强度的最显著因素,最优点阵结构参数下镁/钛双金属接头的失效强度为77.3 MPa。实验结果和有限元分析表明:随着点阵结构长径比的增加,镁/钛双金属接头的失效强度先增加后减小,当长径比为3时,失效强度达到最大。

增材制造金属材料的疲劳性能研究进展

金属增材制造作为前沿热点制造技术之一,近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。利用增材制造技术制备金属材料的过程中,不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷,虽然工艺技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度,但至今仍无法完全消除这些缺陷。增材制造金属材料的过程中,缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核,造成金属材料的疲劳寿命下降。首先从表面质量、内部缺陷及微观结构等方面阐述了增材制造金属材料疲劳性能的影响因素;其次从宏观与微观角度概括了疲劳裂纹萌生/扩展机理的研究现状与进展;总结了热处理、表面优化、电磁辅助以及超声辅助等疲劳延寿技术的研究进展;最后讨论了基于机器学习技术的疲劳寿命评估模型,同时展望了机器学习和人工智能技术在增材制造金属材料领域的应用前景,为推动增材制造金属材料的发展和应用提供了借鉴与参考价值。

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。

增材制造铜/钢双金属材料研究进展

铜/钢双金属材料具有力学强度高、物理化学性能优良等优势,在交通运输、电力能源和建筑工业等领域应用前景广阔。然而,传统熔铸工艺在制造铜/钢双金属材料时,容易在铜/钢界面处产生偏析现象,在一定程度上限制了铜/钢双金属材料的发展。与传统工艺相比,增材制造技术不仅能实现复杂加工零件的快速制造,而且在成形过程中较短的保温时间能缓和或消除异种金属材料界面产生的冶金缺陷,进而增强铜/钢双金属材料的力学性能。由于双金属材料是近年来的研究热点,有关增材制造铜/钢双金属材料的综述性文章较少,故综述了近年来激光、电子束及电弧增材制造技术制造铜/钢双金属材料的研究发展现状,分析了各技术的优缺点,并从制备方法、工艺参数及界面合金元素等角度,分析了影响材料界面组织性能变化的关键因素。发现在增材制造铜/钢双金属材料方面,目前激光增材制造技术主要应用于精度要求较高的小尺寸零部件,电子束增材制造技术适用于某些具有特殊性能的合金,如钛合金,而电弧增材制造技术适用于精度要求较低的大型复杂零部件。在铜/钢双金属材料增材制造过程中,界面处易形成显微组织分布不均匀、界面晶粒尺寸差异较大等现象,导致界面处产生应力集中,从而造成材料断裂失效。为解决上述难题,学者们已深入研究第二相形成机理,并采用优化界面处Cu-Fe比例和控制脆相金属间化合物等方式提高铜/钢双金属材料的性能。最后,对目前增材制造铜/钢双金属材料的研究发展现状进行了总结与展望,未来在冶金学和热力学方向上对铜/钢双金属材料仍需进行系统性理论研究,对双金属材料而言需要建立相关模拟数据库,以期为相关从业人员提供精细化指导建议。新型增材制造技术或复合增材制造技术的开发与应用都将成为未来增材制造铜/钢双金属材料研究的重点发展方向。

激光增材制造金属构件的缺陷控制研究进展

介绍了激光增材制造原理、技术特点及其适用的金属材料体系,归纳了常见冶金缺陷的形成机制、影响因素,并从工艺参数优化和后处理两方面阐述了增材制造冶金缺陷处理的相关研究进展,明确了工艺参数优化与后处理优化的方向。最后对激光增材制造未来的发展趋势和研究方向作出了展望。

静磁场辅助金属增材制造技术研究进展

增材制造作为一种新型的材料加工技术,具有制造周期短、材料利用率高和可制备结构复杂零件等优势,可以为定制形状复杂的产品开辟新途径,目前该技术在装备、材料、工艺、标准等方面都呈现迅猛发展之势,尤其在航空航天等高端制造领域展示出了极大的应用前景。然而,对增材制造金属材料的组织、缺陷演化机理尚不明确,极大地制约了增材制造技术的大规模应用。外加物理能场作为外界辅助手段可以直接对金属材料制备过程的物理变化和化学反应过程产生影响,因而被用来控制其变化或反应过程。在金属增材制造过程施加外部磁场,可以影响其微熔池冶金过程、微观组织和力学性能。介绍了静磁场对金属凝固过程的影响的基本效应,并着重介绍了静磁场对3种具有代表性的增材制造方法,即:激光定向能量沉积、粉末床激光熔融和电弧送丝增材制造方法的成形过程、组织和性能的影响机制,从材料、方法和应用的角度综述了静磁场辅助下金属增材制造领域的研究进展。此外,指出了静磁场辅助金属增材制造技术面对的挑战,并讨论了未来发展趋势。

熔融沉积技术增材制造先进陶瓷材料研究现状和发展趋势

熔融沉积技术增材制造先进陶瓷材料具有高效、低成本和粉体适应性广等突出优势。通过分析先进陶瓷材料增材制造代表性技术的适用范围及其局限性,然后基于线材和螺杆挤出两种熔融沉积技术的原理和特点,综述了熔融沉积方法在结构陶瓷、功能陶瓷、生物陶瓷和陶瓷基复合材料领域的研究进展。从机械臂辅助3D打印、打印过程的监控与缺陷控制和增材制造过程的计算模拟三个方面对熔融沉积技术的发展趋势和研究重点进行了展望。

电子束选区熔化增材制造金属材料研究进展

电子束选区熔化增材制造技术具有高能量密度、低反射率、高效率、高致密和低残余应力的特点,在高真空氛围下成形可以防止金属材料被氧化,特别适合活泼、难熔和脆性大的高性能复杂金属材料零件的精密成形制造。然而,电子束增材制造金属材料往往面临工艺参数难调控,成形零件存在孔隙、裂纹缺陷以及低致密度、元素蒸发、力学性能不足等问题。因此,开展电子束增材制造工艺-成形性-组织-性能的关系及其内在机制的研究具有重要意义。本文对采用电子束选区熔化成形技术在制备合金钢、钛及高温合金、铝合金和高熵合金的工艺参数调控及优化、微观组织演变和力学性能进行了综述,最后对电子束增材金属材料的热点和发展方向进行了展望。

镍夹层添加对激光熔丝增材制造钛/钢金属复合材料界面组织与性能影响研究

针对钛/钢复合材料增材制造过程中易形成脆性Ti-Fe金属间化合物、恶化界面性能的问题。选择镍(ERNi-1)作为夹层,采用激光熔丝增材制造技术实现了TC4/309L复合材料的一体化制备。重点分析了Ni夹层添加对于界面组织与性能的影响,结果表明:添加Ni夹层的钛/钢复合材料的界面主要由Fe/Ni界面和Ti/Ni界面组成。其中,对于Fe/Ni界面Fe和Ni形成了无限固溶体,且未发现明显的裂纹和气孔等缺陷,实现了良好的冶金结合;在Ti/Ni界面中含有TiFe、TiNi_(3)、TiNi、Ti_(2)Ni等多种脆性金属间化合物,界面最大硬度达到670.1 HV。界面结合强度的微区拉伸试验显示,其结合强度为30.5 MPa,断裂于Ti/Ni界面位置,呈脆性断裂特征。

增材制造用金属粉末的特性和测试方法

增材制造用金属粉末的外观、化学成分、粒度、球形度、流动性、密度和空心率等特性均影响增材制造件的性能。目前,增材制造用金属粉末的成分、粒度、流动性和密度均有测试标准,但没有外观、球形度和空心率的测试标准。简要介绍了增材制造用金属粉末的外观、成分、粒度、球形度、密度、流动性和空心率的测试方法和相关标准。

石墨烯增强金属复合材料的电弧增材制造工艺及设备优化

本研究旨在探讨石墨烯增强金属复合材料的电弧增材制造工艺及设备优化,以满足现代工业对高性能材料的需求。石墨烯作为一种出色的纳米材料,具有卓越的力学和导热性能,为金属复合材料的性能提升提供了新的可能性。本文结合钎焊、扩散焊等焊接技术,系统研究了石墨烯增强金属复合材料的制备工艺和相应的设备优化,以提高其力学性能、热导率和耐磨性,为制备高性能金属复合材料提供了有力的支持。

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。

送粉式激光增材制造工艺修复钛-不锈钢复合板的研究

为解决钛钢复合板制造和服役过程中产生的超标缺陷无法直接熔焊修复的难题,通过选择合适的中间层种类及厚度,分析了TA2/S30408复合板送粉式激光增材制造工艺的可行性。结果表明:相较于Cu-Ti梯度沉积层,纯铜层在沉积过程中裂纹萌生和扩展倾向更小,更适合作为钛-不锈钢复合板的中间层;中间纯铜层多次沉积且总厚度控制在1~1.2 mm时,可以在不降低复合板界面剪切强度的前提下,有效阻止不锈钢层中的Fe元素向钛层的扩散;TA2/S30408复合板各沉积层结合良好、无明显气孔裂纹等缺陷,剪切强度达标,有望利用送粉式激光增材制造工艺修复钛-不锈钢复合板。