增材制造Ti6Al4V基复合材料研究进展

Ti6Al4V基复合材料具有高杨氏模量、高比强度、良好的耐磨性和高温耐久性等一系列优异的性能,在航空航天、汽车制造和石油化工等高端结构材料领域具有广阔的应用前景。然而,Ti6Al4V基复合材料的传统减材制造方法存在能耗高、效率低、工艺复杂、材料利用率低和后处理加工成本高等共性缺点,无法满足规模化应用的需要。在此情况下,增材制造(additive manufacturing,AM)技术因具有能耗低、效率高、材料利用率高及对复杂形状制品可实现近净成型等优点,在制备Ti6Al4V等合金及其复合材料方面具有显著的应用优势和重要的科研价值。综述了现有Ti6Al4V基复合材料的增材制造方法,包括选区激光熔融(selective laser melting,SLM)、激光定向能量沉积(laser directed energy deposition,LDED)、电子束熔融(electron beam melting,EBM)、丝材电弧增材制造(wire arc additive manufacturing,WAAM)和电子束自由成形(electron beam freeform fabrication,EBFF)法,总结了上述方法的技术原理和优缺点,以及以原位合成陶瓷增强相为主的Ti6Al4V基复合材料的适宜加工参数、显微形貌特征及力学性能特点,并展望了增材制造Ti6Al4V基复合材料领域的技术发展趋势。

增材制造月壤原位成形技术的研究现状

这是一篇陶瓷及复合材料领域的论文。几十年来,太空探索一直是炙手可热的话题,随着嫦娥五号的发射,正式开启了我国首次地外天体采样返回之旅,象征着我国月球基地建设方案正式提上日程。月球探索是人类进行深空探索的第一步,月球原位资源利用对于月球探索具有重大意义。增材制造是进行月球原位资源利用建设月球基地的有效手段。本文阐述了月壤的基本特性以及模拟月壤的特点及组成,重点总结了目前国内外模拟月壤增材制造的研究进展。提出了面向月球风化层(即月壤)的增材制造关键技术的重要挑战。围绕我国月球基地建设工程,讨论了增材制造技术的发展前景与可能的实施途径。

微铸锻穿孔机轧辊研究与制造

微铸锻穿孔机轧辊是一种复合轧辊,在增材制造过程中采用一种复合方式,把堆焊工艺与锻造工艺实现完全耦合。实施微铸锻产品具有变形小、应力小、晶粒细化、强度高、韧性高、耐磨性好等特点,较锻钢产品单次过钢量提升了50%,磨损量下降了50%。

电弧微铸锻复合增材制造Safra 66铝合金组织及性能的研究

利用电弧微铸锻复合增材制造装置直接成形了Safra 66铝合金制件,对电弧自由熔积成形与电弧微铸锻复合成形的Safra 66铝合金的组织特征和力学性能进行测试和分析,对比研究了微铸锻复合成形的断口形貌。结果表明:与自由熔积成形相比,微铸锻复合成形工艺可使Safra 66铝合金的组织更加均匀,晶粒得到整体细化,屈服强度提高31.1%,抗拉强度提高11.3%,伸长率提高20.0%,平均硬度提高15.5%。

超声波金属快速增材制造成形机理研究进展

为了克服现有的高能束金属快速成形与制造工艺的局限性,近年来人们发展了超声波金属叠层结构快速固结成形与制造的技术,该技术采用大功率超声能量,以金属箔材为原材料,利用金属层间振动摩擦产生的热量,促进层间金属原子相互扩散和形成固态物理冶金结合的界面,且具有温度低、变形小、速度快、绿色环保等优点,适合于复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造,是一种新型的增材制造3D打印技术。简要介绍了超声波金属叠层结构快速固结成形与制造这一先进增材制造技术的应用,主要综述了现有的Al/Al、Cu/Cu、Ti/Al等同种和异种金属叠层系统工艺参数优化方面的研究成果,着重分析了超声波固结成形金属物理冶金的微观机理和界面性能的表征技术。在此基础上,针对目前超声波金属固结成形机理研究的现状提出了有待深入研究的内容。

TiB_2增强Al-Si复合材料激光增材制造工艺及性能研究

采用激光立体成形(LSF)和激光选区熔化(SLM)两种激光增材制造工艺制备得到原位自生Ti B2/Al-Si复合材料,对其微观组织和力学性能展开了研究,探索不同激光增材制造工艺对铝基复合材料组织的作用,并分析其微观组织对宏观力学性能的影响机制。结果表明,LSF试样由于热量积累导致Si呈块状析出,部分Ti B2颗粒熔化生成针状的Al3Ti相;而在SLM试样中,网格状Si及纳米级Ti B2颗粒弥散分布在基体之中,晶粒尺寸在200 nm^1μm之间,表现为粗晶区和细晶区交替出现的组织结构,无副相生成。除此之外,与LSF试样相比,SLM试样密度提高约2.8%,硬度有了明显的提升,稳定在130~135 HV之间。因此,现阶段SLM技术更加适合用于原位自生Ti B2/Al-Si复合材料的激光增材制造。

3D打印连续纤维复合材料丝材的成形规律

针对3D打印连续纤维增强热塑性树脂复合材料,研究了热塑性树脂在螺杆挤出过程中的流动机理和在纤维界面的浸渍行为,揭示了螺杆转速和牵引速度对复合丝材成形直径和纤维含量的影响规律。提出使用实际浸渍时间和理论完全浸渍时间来共同表征树脂对纤维的浸渍程度,观察复合丝材断面的形貌可知,高浸渍程度的丝材内部空隙较少,树脂和纤维结合更紧密。进行3D打印成形测试,当丝材的浸渍程度从17.25%提高到40.02%,样件的拉伸强度可从132 MPa提高到160 MPa,提高约21%。对样件进行动态力学性能分析(DMA)测试,试验结果表明浸渍程度高的复合材料成形件具有高的存储模量和损耗模量,表明其纤维和基体间的界面结合程度得到了提高和改善。

高性能聚芳醚酮及其复合材料粉末床熔融成形的现状与挑战

粉末床熔融成形是增材制造技术中的一种,以聚合物及其复合粉末为原材料,可用于特种工程塑料聚芳醚酮及其复合材料的增材制造,无需任何工装和模具即可完成复杂结构制件的直接成形,为航空航天、汽车工业领域内对制件结构优化和快速开发提供了一种解决方案。介绍了粉末床熔融成形聚芳醚酮及其复合材料的国内外研究现状,从成形系统、原材料、成形工艺以及碳纤维增强聚芳醚酮复合材料增强机理与性能等几个方面展开了论述,并对粉末床熔融成形聚芳醚酮及其复合材料面临的挑战进行了分析。

连续丝材增强复合材料增材制造研究进展

系统总结了连续丝材增强复合材料增材制造研究的最新进展,分析了连续丝材增强复合材料增材制造的技术与工艺方法。探讨了不同丝材在复合材料增材制造中的性能以及丝材轨迹、结构的设计方法,介绍了连续丝材增强复合材料在航空、汽车、电子与传感器、医用设备等领域的应用。最后对连续丝材增强复合材料发展趋势进行了总结。

国外热塑性复合材料工程应用现状

近年来,热塑性复合材料在国外工程应用越来越多,与热固性复合材料相比,热塑性复合材料具有以下应用优势:韧性高、损伤容限大、有类似于金属的加工特性、原材料储存期不受限制、成型加工周期比较短,尤其是它所具有的良好的可循环性、可回收、可重复利用和不污染环境等特性,很好地适应了当今世界对材料产业所提出的环保要求。介绍了热塑性复合材料的基体和增强材料特点、常用的成型方法、焊接技术以及在国外航空航天等工程应用案例,并分析了热塑性复合材料应用过程中遇到的问题以及发展方向。

稀土复合添加剂在近净成形热锻模具钢中的作用研究

以热锻模具为应用对象,采用光镜、扫描电镜、电子拉伸试验机、冲击试验机及硬度计等,研究了RE复合添加剂对铸造热锻模具钢基体组织、力学性能、热疲劳性能的影响,并在此基础上,采用真空实型铸造近净成形技术试制了凸轮轴模具。结果表明,经RE复合添加剂处理后的铸造热锻模具钢,其基体组织更加均匀,晶粒细化明显,力学性能显著改善,热疲劳裂纹萌生和扩展得到有效抑制。与未加入RE复合添加剂处理的热锻模具钢相比,RE复合添加剂处理的热锻模具钢在基体硬度保持不变的情况下,冲击韧性提高1.15倍,达到了67.9 J/cm2;常温抗拉强度和高温抗拉强度(600℃)分别提高了200 MPa以上,达到1457 MPa和1108 MPa;热疲劳性能明显改善。采用该模具钢试制的凸轮轴热锻模具,在2500吨压力机上锻造凸轮轴15648件,模具使用寿命比相同工作条件下5CrNiMo模具提高2倍以上,加工成本降低约25%。

航天大型薄壁回转曲面构件成形制造技术的发展与挑战

薄壁曲面构件是广泛应用于航空航天等高端运载装备的关键构件。大型薄壁曲面构件成形制造技术是新一代航空航天飞行器、战略导弹和船舶等尖端装备向大型化、轻量化、高性能化、长寿命和高可靠性方向发展的迫切需要。然而,这类构件的壁薄、直径等尺寸大、曲率变化、大小尺寸极端结合,且材料轻质高强、性能要求高等,使其制造难度大。首先概述了航天领域大型薄壁回转曲面构件及其制造技术的发展历程与类型,据此针对不同类型的大型薄壁回转曲面构件制造技术综述了其应用与研究进展,然后对比分析了各制造工艺的技术特色、构件性能与发展潜力,探讨了大型薄壁回转曲面构件制造技术的未来发展趋势与面临的挑战。

汽车曲轴热锻模焊锻复合电弧熔丝自动增材制造工艺

为了提高曲轴模具的服役寿命和降低再制造成本,提出了焊锻复合电弧熔丝自动增材制造工艺,并开发了相应的软件和硬件系统。在该工艺中,曲轴模具的增材目标模型被分层切片和轨迹规划,并将锤击轨迹和焊接轨迹重合从而将每一道焊缝均进行焊后锤击。锤击分析表明,焊后锤击能够将焊缝残余拉应力矫正为残余压应力,提高焊缝的力学性能。自动增材制造工艺中模具被随形增材,而人工修复模具则采用满焊工艺,因此,自动增材制造工艺能够大幅节省材料大约50%以上,降低焊接时间50%以上。在服役8000件后,自动修复模具的压塌区域和压塌量显著少于人工修复模具,此外表面微裂纹的数量也得到了大幅降低,使得模具的服役寿命大幅提高。

基于增材制造和锻造复合成形的TC4钛合金组织和性能研究

采用金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)观察不同激光功率制备的增材制造/锻造TC4钛合金复合成形试样,并进行了显微硬度测试和拉伸测试。结果表明:微观组织形态均表现为4个区域:基体、过渡区1、过渡区2和增材区。基体为典型的双态组织;过渡区1为部分等轴α溶解中间态组织和β相;过渡区2的组织形态介于网篮组织和过渡区1的组织之间;增材区为典型的网篮组织。拉伸试验表明,过渡区1和过渡区2是复合制造整体试样中强度比较薄弱的地方,对拉伸试样断口观察后发现只有加工激光功率1000 W的水平(I型)拉伸件的韧窝较大且深,其他拉伸试样断裂方式均为半解理半韧性断裂,不同功率复合成形的试样中,激光功率为1000 W的拉伸性能最好,比较水平(I型)和竖直(II型)拉伸试样,II型拉伸件的塑性优于I型拉伸件,抗拉强度、屈服强度与完全锻造拉伸件比较接近,但是延伸率低于完全锻造拉伸件。4个区域中过渡区2的显微硬度最高。