金属增材制造监测与控制技术研究进展

金属增材制造技术凭借其柔性化定制能力和复杂构件成形优势,有望成为提升航天领域设计与制造能力的一项关键核心技术,但现阶段该方法仍然存在制造过程稳定性不足、制造质量实时检测困难、工艺参数实时调节技术成熟度有待提升等问题。本文从增材过程信息感知、增材工艺优化决策、质量优化控制发展趋势三方面详细阐述了金属增材制造监测技术的研究进展,论证了高性能结构件增材成形过程中工艺变量-过程参量-成形质量调控的发展必要性,并就增材过程监测技术的发展趋势做出了思考与展望。

空间在轨增材制造技术的研究进展与展望

空间在轨增材制造(in-space additive manufacturing,ISAM)技术是一种“空间3D”打印技术,在在轨制造和空间基地建造方面具有很好的应用前景。首先概述了空间在轨增材制造技术的主要内涵,进而全面梳理了国际上空间在轨增材制造技术的研究进展。结合空间站、在轨航天器的需求,重点分析了空间在轨增材制造关键技术对其原材料、技术手段以及设备的要求,在此基础上梳理了空间在轨增材制造技术现阶段面临的挑战。综合表明,特殊的空间环境(微重力、高真空等)都在紧密限制着空间在轨原材料、设备以及技术的选用。最后,基于当前空间在轨制造技术的发展现状、需求以及可能的实现途径,为中国空间在轨增材制造技术的未来发展指明了新的方向。

激光熔化沉积制备核电级Z2CN19-10N不锈钢构件组织与力学性能研究

利用激光熔化沉积技术制备核电级Z2CN19-10 N奥氏体不锈钢板,利用金相显微镜,扫描电镜技术,对沉积态及热处理态组织进行分析,测试沉积态及热处理态试样室温拉伸性能。结果表明:激光熔化沉积Z2CN19-10 N不锈钢沉积态组织由沿沉积增高方向贯穿多层外延生长的柱状晶组成,柱状晶内包含多个细长整齐排列的树枝晶,奥氏体基体上分布着大量沿沉积增高方向排列的残余铁素体;固溶处理后残余铁素体消除,奥氏体基体上析出大量碳化物。Z2CN19-10N奥氏体不锈钢沉积态组织具有良好的室温拉伸性能,抗拉强度达539 MPa,屈服强度264 MPa,延伸率54%,达到锻件水平。

多激光束选区熔化成形技术研究

多激光束选区熔化技术可以改善单激光束选区熔化成形过程中产生的球化、翘曲变形及裂纹等缺陷。研究了多激光束选区熔化成形系统中涉及的多个关键系统,包括铺粉与送粉系统、双激光光路系统、控制系统及分层切片数据处理软件系统等,并进行大量设备验证性工艺试验研究,成功研发出多激光束选区熔化成形设备,并成形出性能优异的复杂精密金属构件。

不同增韧剂对聚乳酸增韧改性效果及其FDM打印件性能的影响

采用质量分数为5%,10%,15%的聚己二酸/对苯二甲酸丁二醇酯(PBAT)、乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯共聚物(PTW)、热塑性聚氨酯(TPU)等3种增韧剂分别对聚乳酸(PLA)进行增韧改性并制备得到了丝材,应用熔融沉积成形(FDM)技术将丝材直接打印成形,研究了增韧剂对丝材及打印件性能的影响。结果表明:3种增韧剂与PLA均具有较好的相容性,PTW改性PLA丝材的流动性最佳,且随PTW含量的增加而更好;随增韧剂含量的增多,改性PLA打印件的拉伸强度降低,冲击韧度增大;采用质量分数为10%PTW改性的PLA丝材最适用于FDM打印成形,该丝材流动性适当,打印件表面光滑。

激光粉末床熔融成形AlSi10Mg铝合金复杂流道构件研究

采用激光粉末床熔融技术制备不同截面与截面尺寸的长直流道试样以及复杂流道产品。研究结果表明,当流道截面尺寸小于2 mm时,激光粉末床熔融成形后流道的收缩而对残余粉末进行挤压,这将导致流道内残余粉末难以完全清除。此外,随着流道截面的增大,圆形流道上表面结合处呈现出表面质量变差的现象,而屋脊形截面流道由于倾斜角度保持不变而呈现较好的成形质量及尺寸精度。激光深穿透至非成形区粉末是造成流道上部区域粘附粉末颗粒的重要原因,而通过磨粒流、高压气流及水流等方式可以对其去除。结果表明,基于激光粉末床熔融技术设计与成形的复杂流道散热元件经X射线检测和计算机断层成像检测均无裂纹及残余粉末,并通过了2 MPa压力、保压5 min的耐压检测。最后,初步构建了复杂流道类构件的“设计—成形—检测”一体化流程。

激光能量密度对选区激光熔化成形Al_(4)SiC_(4)/AlSi10Mg复合材料显微组织的影响

以SiC和AlSi10Mg球磨混合粉为原料,采用选区激光熔化成形工艺成形Al_(4)SiC_(4)增强AlSi10Mg复合材料,研究了激光能量密度(76.2,80.0,91.5 J·mm^(-3))对复合材料显微组织的影响。结果表明:通过激光与复合粉体的相互作用可原位生成亚微米尺度的Al_(4)SiC_(4)增强相,该相呈针状形貌,围绕原SiC颗粒呈团簇状或平行排列分布;随着激光能量密度的提升,熔池内Marangoni对流作用增强,促进增强相Al_(4)SiC_(4)的生成,原增强相SiC逐渐转变为Al_(4)SiC_(4),且Al_(4)SiC_(4)相由针状形貌演变为团簇状或平行排列的片状形貌。

智能化激光选区熔化成形增材制造平台研制

智能化激光选区熔化成形增材制造平台主要由激光选区熔化成形设备、智能在线监测与反馈调节系统、AM云平台软件、工艺数据处理软件、智能工艺参数库及装备健康安全管理软件等多个系统构成,实现了激光选区熔化成形的远程工艺优化、质量诊断、设备故障预警与远程维护等功能。该平台的成功研制,为解决航空、航天等领域的复杂金属构件增材制造过程中的质量控制与追溯问题提供了重要手段,对于全面提升我国金属增材制造智能化水平具有重要意义。

激光3D打印TC4钛合金工件根部裂纹成因分析

激光3D打印TC4钛合金工件的根部出现了裂纹。通过分析裂纹的微观特征以及工件的残余应力,分析了裂纹产生的主要原因。结果表明:以高速、微层、微区连续熔凝为特征的激光3D打印,其热输入量较小,打印层对已成型层的退火作用小,导致激光3D打印TC4钛合金工件外表面出现严重的拉应力,最大值达到了640 MPa;同时3D打印过程中存在的飞溅、咬边和熔道不连续等缺陷,会影响下一层铺粉厚度和密度的均匀性,导致微观缺陷的产生,或使得打印工件的性能在微观上不均匀;微观分析显示,裂纹起源和终止于微缺陷处,在扩展过程中有向微缺陷处发展的特征;预热温度不够、严重的残余拉应力、微观缺陷或性能不均匀的共同作用,是导致激光3D打印TC4钛合金工件根部出现裂纹的主要原因。

基于SLS/CIP工艺SiC陶瓷的制备及其性能

以喷雾干燥的SiC-Al_2O_3-Y_2O_3造粒粉为原料,使用机械混合法得到复合粉体,通过激光选区烧结/冷等静压技术并结合液相烧结工艺制备出SiC陶瓷,对SiC陶瓷的物相组成、显微结构、抗弯强度及密度进行表征。结果表明:喷雾造粒粉平均粒径为39.43μm,球形度较高,流动性良好,适用于SLS成型;SLS成型最优参数为激光功率7W、扫描间距0.15mm、扫描速率2200mm/s、单层层厚0.15mm且CIP压力为80MPa时, SiC陶瓷素坯的性能最佳,抗弯强度为(2.23±0.10)MPa,密度为(1.31±0.05)g/cm^3;在1950℃下烧结2h后,样品发生了致密化,SiC陶瓷密度为(1.95±0.17)g/cm^3,相对密度为(60.81±5.31)%,抗弯强度为(55.43±4.04)MPa。

激光选区熔化成形铝合金的组织、性能与倾斜面成形质量

采用优化工艺参数对AlSi10Mg铝合金进行激光选区熔化(SLM)成形,对平行于和垂直于SLM成形方向的显微组织、拉伸性能、冲击性能以及相对密度进行了对比研究;分析了SLM直接成形不同倾斜角度倾斜面的成形质量。结果表明:平行于SLM成形方向的显微组织与垂直于SLM成形方向的在生长方向上存在差异性;沿垂直于SLM成形方向截取试样的平均抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冲击功分别为364 MPa,303 MPa,6.7%,5.1J,高于平行于SLM成形方向的;当倾斜角度不大于45°时,倾斜面成形质量较好,当倾斜角度大于50°时,倾斜面下表面出现坍塌现象。

激光选区熔化成形316L不锈钢组织和力学性能分析

为了综合评价激光选区熔化成形316L不锈钢的力学性能,制备了不同成形方向的316L不锈钢试样,观察了试样微观组织,测试了其拉伸性能、布氏硬度、冲击性能、弯曲性能。结果表明,微观组织主要为胞状晶及呈外延生长的柱状晶,且柱状晶晶粒取向各不相同,在相邻熔覆道熔合线附近的晶粒尺寸大于远离熔合线区域。激光选区熔化制备的试样的抗拉强度及屈服强度最高分别达到了703 MPa及609 MPa,与常规方法成形的固溶态棒材相比,优势明显,但延伸率呈现一定程度的下降。这主要是由于选区激光熔化中激光与粉末作用时间很短,熔池快速熔化,急速冷却,形成了致密的细小晶粒,导致材料的强度显著提高。拉伸性能存在各向异性,XY向均高于Z向。一方面由于局部急熔急冷,成形件内存在较大内应力,另一方面晶粒生长方向各异,导致力学性能各向异性难以避免,在拉伸变形过程中不同生长方向的晶粒互相牵制,变形不均匀,导致延伸率降低。成形的316L不锈钢XY向和Z向的布氏硬度均达到了188 HB,与固溶强化处理后的不锈钢棒材相当。激光选区熔化成形的316L材料的夏比冲击功达到了74.5 J,XY方向略高于Z向。

扫描方式与预热温度对激光选区熔化制备大尺寸AlSi10Mg合金性能的影响

采用激光选区熔化技术制备大尺寸AlSi10Mg合金试样,研究了扫描方式(棋盘式扫描与均匀扫描)及基板预热温度(80℃和120℃)对AlSi10Mg合金试样显微组织、密度和力学性能等的影响。结果表明:扫描方式是影响试样相对密度、拉伸性能和冲击性能的主要因素,而预热温度主要影响试样的硬度;预热温度80℃、棋盘式扫描方式下试样的相对密度最大(98.69%),拉伸性能和冲击韧性最好;预热120℃、棋盘式扫描方式下试样的硬度最高(257HV)。

基于Qt的激光焊接设备人机交互系统设计与实现

设计并实现了基于Qt跨平台开发框架的激光焊接设备人机交互系统,运用C++语言编写主程序,通过上位机与底层PLC的交互,实现设备加工与实时状态监测等功能。该人机交互系统经过实际应用,取得良好的效果。

基于DSP2812的桌面3D打印机控制系统实现

以DSP2812数字信号处理芯片为核心控制器,设计了一种桌面3D打印机控制系统,应用DSP2812中的通用寄存器生成的非对称式脉冲宽度调制(PWM)波形结合DSP2812的通用输入/输出(I/O)口控制步进电机驱动芯片,进而实现步进电机的速率和位移控制;同时还创新性地应用DSP2812的通用数字I/O口实现双向的两线连续总线(I2C)功能,实现对步进电机的细分控制,从而控制步进电机的启动电流,降低系统功耗,提高步进电机的控制精度及稳定性。

选择性激光烧结PA6样品的力学性能研究

通过粉末床铺设置尼龙微粉,进行选择性激光烧结(SLS),制备了尼龙6(PA6)拉伸试样。分析了所制备样品在三维方向上的拉伸性能,研究了拉伸断口的微观形态。结果表明,所制备的样品致密无孔隙。激光扫描方向和面堆积方向的拉伸强度分别为42.7 MPa和42.5 MPa,高于体堆积方向的拉伸强度39.3 MPa;激光扫描方向和面堆积方向的断裂伸长率约为体堆积方向的两倍。断口分析显示,拉伸断口由裂纹萌生区和裂纹扩展区组成,裂纹起源于未熔融PA颗粒与熔融粘结PA的界面。

AlSi10Mg铝合金选区激光熔化成形缺陷控制和表面质量优化

铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好等特点,很好地满足航天飞行器轻量化需求。激光选区熔化技术(SLM)成形的铝合金零件综合性能良好,在航天领域应用广泛,但存在成形过程中缺陷不好控制、成形件表面质量较差、后处理工序烦琐等问题。为此,选取AlSi10Mg铝合金,针对SLM成形AlSi10Mg铝合金缺陷消除进行实体工艺优化研究,获得缺陷最少的优化工艺参数,并进一步研究表面粗糙度优化方法。结果表明,通过优化工艺参数(主要包括扫描功率、扫描速度、扫描间距),可以获得较低的孔隙率(9.2%)和较优的内部成形质量;成形件表面质量主要影响因素有表皮扫描功率、扫描速度、扫描间距等,适当提高扫描功率可以获得较好的表面质量。

热处理对激光选区熔化成形316L不锈钢组织和力学性能的影响

采用激光选区熔化成形工艺制备了316L不锈钢试样,并对其分别进行了400℃×4 h的退火处理以及1020℃×0.5 h的固溶处理。采用扫描电镜、显微硬度计及电子万能试验机等研究了直接成形态、退火态和固溶态试样的微观组织、拉伸性能、布氏硬度和夏比冲击吸收能量。结果表明:直接成形态试样经400℃×4 h退火后,组织变化不明显,抗拉强度、伸长率、布氏硬度及夏比冲击吸收能量都略有提高;直接成形态经1020℃×0.5 h固溶处理后,熔池搭接边界发生溶解,层层搭接边界消失,抗拉强度、屈服强度、布氏硬度分别降低了8.8%、27.2%、13.7%,伸长率、夏比冲击吸收能量分别提高了43%和25%。与其它两种状态相比,固溶状态下,试样的性能更稳定,强度与韧性的组合较好。