基于增材制造的钢铁块体材料高通量实验方法

近年来先进高强度钢发展迅速,在航空航天、海洋工程和医疗器械等领域引起了广泛关注。基于材料基因工程的研究方法,介绍了增材制造用于钢铁块体材料高通量实验的高效性和潜在优势,回顾了利用基于增材制造的高通量实验筛选出结构功能一体化钢材的高效制备与评价方法。讨论了其他代表性高通量实验方法的特点并提出组合高通量实验的可能性。最后展望了增材制造拓展应用于其他多元体系合金材料高通量实验的前景。

等离子电弧双丝增材制造Ti-48Al合金组织特征

采用等离子电弧双丝增材制造技术成功制备了Ti-48Al合金(at.%),并对其沉积态和热处理后的组织特征进行了系统地研究.结果表明,沉积态Ti-48Al合金主要由α2相和γ相组成,沿着沉积方向,沉积态组织呈现由树枝晶区和片层晶团区交替分布的不均匀性特征,并且在树枝晶区存在严重的枝晶间Al元素偏析现象.在1 340℃/10 h/炉冷热处理后,不均匀的沉积态组织转变为晶粒尺寸细小的双态组织,Ti-48Al合金的微观组织的不均匀性获得明显改善,并且α2相含量显著增加,组织的择优取向减弱.

点环激光超窄间隙焊与电弧焊高强钢厚板组织性能对比研究

为消除激光超窄间隙焊易产生的侧壁熔合缺陷,开发了点环激光填丝焊工艺,利用中心点激光对焊丝加热,利用环激光对窄间隙坡口加热,完成30 mm厚10CrNi3MoV低合金高强钢的焊接,并与传统电弧焊接头开展组织和性能对比分析。结果表明,激光超窄间隙填丝焊接头焊缝区由针状铁素体、粒状贝氏体与少量的马氏体组成,电弧焊接头由针状铁素体和粒状贝氏体组成。激光焊的快速冷却特点使其焊缝组织较弧焊更加细小。激光焊接头热影响区由较多的铁素体和粒状贝氏体组织和较少的M-A组元组成,有利于接头性能的提高。激光超窄间隙填丝焊接头抗拉强度与电弧焊接头近似相当,但激光超窄间隙填丝焊接头具有更好的冲击韧性。

原位生成铝基复合材料的激光焊接

采用大功率激光器研究新型铝基复合材料TiB2/ZL101的焊接性能,TiB2粒子的存在增加了焊缝熔池粘度降低了熔池流动性,影响了焊缝成形,增加了气孔敏感性.焊缝中气孔主要来源于氢和复合材料中的残留盐.激光焊接过程中较大的冷却速度使得焊缝晶粒非常细小,TiB2粒子在焊缝中分布更均匀,没有出现粒子偏析,主要是因为TiB2粒子是属于纳米级,在凝固过程中被凝固界面前沿所捕获而没有被推移.TiB2粒子没有与铝基体发生界面反应生成脆性相Al3Ti及AlB2,TiB2粒子与Al基体界面结合较好.结果表明,激光焊接后没有破坏TiB2粒子的增强效果.

颗粒增强铝基复合材料激光焊接研究现状及展望

阐述了激光焊焊接铝基复合材料的国内外研究现状,主要对激光焊焊接铝基复合材料时所存在的焊缝成形、气孔、界面反应及粒子分布等问题做了详细的阐述,提出了相应的解决方法,并对激光焊焊接铝基复合材料的前景做出了展望。

TiB_2/ZL101复合材料与ZL101合金激光焊对比研究

对TiB_2/ZL101复合材料和ZL101基体合金进行激光焊对比研究,结果表明:TiB_2/ZL101复合材料对激光的吸收率大于ZL101基体合金,相同工艺参数焊接时复合材料的焊接深度大于基体合金。由于基体合金导热率较大,使得焊缝上部比复合材料焊缝较宽。在功率一定时,较快的焊接速度(3 m/min)使得基体合金焊缝组织为α相和分布在α相间的针列状共晶体复合组织;而在较慢的焊接速度(2 m/min)时,基体合金焊缝组织为α相和分布较均匀的块状或长针状共晶Si相。复合材料在较快的焊接速度(3 m/min)时,晶界壁较薄,仅有少量共晶Si存在,在较慢的焊接速度(2 m/min)时,晶界壁明显变厚,共晶Si相较多。通过测试两种不同焊接速度的ZL101合金焊缝硬度表明,焊缝硬度值均比母材高,但共晶Si以针状或块状存在的焊缝硬度值小于针列状形式存在的焊缝硬度值。

高功率CO_2激光+电弧复合焊技术在船舶制造业中的应用

激光复合焊技术作为一种快速高效的焊接方法,具有焊缝深宽比大、焊接变形小等优点,在船舶制造业中有着广阔的应用前景。本文分析了高功率CO2激光+电弧复合焊技术的特点,采用高速摄像法对光致等离子体与电弧的交互过程进行了观察分析,开展了16mm和12mm厚国产船用低合金高强钢激光复合焊对接和T形接头的工艺研究。

脉冲YAG激光焊接原位生成TiB_2/ZL101铝基复合材料

采用脉冲激光技术对原位生成TiB2/ZL101铝基复合材料进行焊接,并分析了脉冲频率对焊缝成形及其微观组织、气孔和TiB2粒子在焊缝中分布的影响.结果表明:脉冲激光焊缝成形较好,焊缝内气孔数量较少,焊接后母材中团簇的TiB2粒子变得细小弥散且比母材分布更均匀;当脉冲频率增至200 Hz时,搅拌作用减弱且焊缝内气孔增多,TiB2粒子的弥散分布也相对减弱,激光穿透深度随着脉冲频率的增加而减小;激光焊接时,焊缝呈现出细小的等轴晶组织,在凝固过程中TiB2粒子被界面前沿推移至晶界处,使得其在焊缝内的硬度增加且分布较均匀,焊接后TiB2粒子未与铝基体发生界面反应而保持了对复合材料的增强效果.

NiFe基合金激光增材制造热裂纹形成机理及调控

针对NiFe基高温合金增材制造过程易出现热裂纹的问题,开展该合金热裂纹形成机理的研究,提出通过层间温度控制以及粉末氮化的方法,降低NiFe基高温合金激光增材过程中的热裂纹敏感性.结果表明,热裂纹的出现主要是由于元素偏析以及热应力所引发的,热裂纹位置大多在大角度晶界处,这是由于大角度晶界中能量较高,在冷却过程中,晶界内液膜的存贮时间较长,从而造成偏析加剧.当层间温度较低,冷却速度加快,能够减少合金中有害碳化物的长大,降低了大角度晶界比例,从而抑制热裂纹的出现.粉末预氮化通过预先将Ti, Nb等元素进行氮化,形成稳定氮化物,在抑制开裂敏感性元素偏析的同时增加了形核点,促进晶粒细化,从而降低该合金的热裂纹敏感性.

激光焊接颗粒增强铝基复合材料中TiB_2颗粒的演变行为(英文)

研究大功率激光器焊接TiB2颗粒增强铝基复合材料时TiB2粒子的演变行为。采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)及能谱(EDS)分析焊缝内粒子的物相、热力学过程及形貌特征;同时对TiB2和铝基体的界面反应进行讨论。结果表明:当TiB2团簇尺寸大于激光光斑直径时,焊缝中部的TiB2粒子会熔融在一起,较大尺寸的TiB2会发生断裂;当与铝熔体接触后,熔化后的TiB2粒子会与Al发生反应生成Al3Ti和AlB12,并且焊缝中部的界面反应比焊缝边缘的剧烈。

铺粉厚度对选区激光熔化GH3625组织与力学性能的影响

在不同铺粉厚度下使用相同的激光工艺参数制备GH3625合金,并对选区激光熔化GH3625的组织与力学性能的进行了分析.结果表明,在较大的工艺窗口内,铺粉厚度由0.02mm增加至0.03mm不会影响打印质量,并且在优化的工艺参数窗口下均能制备得到致密度99.9%以上的块体.铺粉厚度的增加会导致熔池形态发生改变,也会明显改变晶粒形态.当铺粉厚度为0.02mm时,晶粒多为细长形,平均晶粒尺寸约为18.128μm,晶粒有明显的择优取向.此时,相邻的熔池形态差别较大,呈现一道次较深较宽,另一道次较浅较窄的现象.而铺粉厚度增加至0.03mm后温度梯度差异减少,相邻熔池形态差别较小,组织中细长形晶粒减少,平均晶粒尺寸降低至11.921μm,晶粒的择优取向也相应减弱.由于晶粒形态的改变,在垂直方向上,铺粉厚度为0.03 mm的样品的屈服强度相比于铺粉厚度为0.02mm的屈服强度提高了5%,有效抑制了打印态样品的各向异性程度.创新点:(1)在优化的工艺窗口内,工艺参数不变,铺粉厚度的改变同样能够制备出成形良好且致密的样品.(2)增加铺粉厚度减弱了晶粒的择优取向,并相应的减少打印态样品力学性能的各向异性程度.

激光熔覆高强韧铁基合金涂层的组织及其轴承滚道服役性能

采用激光熔覆技术在42Cr Mo钢表面制备出厚度超过3 mm的含硼高强韧铁基合金涂层(S1涂层),研究了该涂层的显微组织及其轴承滚道服役性能,并与商用高硬度M2涂层进行了对比。结果表明:S1涂层与基体之间结合良好,组织由马氏体基体相和岛状共晶强化相M3C型碳化物组成;S1涂层的平均硬度约为883 HV,是M2涂层的1.1倍。在许用接触应力试验中,S1涂层表面的压痕深度均小于滚动元件直径的10^(-4),表现出稳定且优异的抗塑性变形能力;S1涂层轴承心部的理论最大剪切应力为377.38 MPa,低于M2涂层轴承心部(392.03 MPa),远低于轴承材料的剪切屈服应力(459 MPa),表现出较好的静载荷承载能力。S1涂层的滚动接触疲劳寿命为2.66×10^(7)周次,是M2涂层的2倍。

铝硅镀层热成形钢拼焊板箔材填充激光焊的组织与性能研究

铝硅镀层热成形钢是一种重要的汽车用先进高强钢,但在拼焊板制造过程中受到铝硅镀层的影响,焊接接头的性能远低于母材.文中选择了3种相同厚度不同箔材作为铝硅镀层热成形钢激光焊的填充材料,并经热成形工艺处理.通过比较焊接接头的微观组织、硬度分布、拉伸力学性能和断口形貌,阐明不同箔材填充激光焊的影响作用.结果表明,Ni箔和Cu箔都促进了焊缝板条马氏体比例的增加和δ铁素体比例的减少,但Cu箔填充接头的断口呈沿晶断裂,塑性远低于Ni箔,与Ni固溶增强增韧Fe基体有关.Fe箔在一定程度上产生稀释的作用,也提高了焊缝板条马氏体含量.

面向微流体器件封装的硅-蓝宝石异质结构超快激光微连接及接头性能

微纳传感器件中异质材料的互连将决定器件封装的质量,进而影响器件的性能.针对硅与蓝宝石晶圆级异质互连,缺少操作简洁、绿色环保、适于大规模应用的连接技术,采用超快激光穿透连接技术,通过调整硅-蓝宝石晶圆间隙并控制能量输入,对硅与蓝宝石的连接可行性进行了探究.结果表明,在晶圆间隙小于1μm、激光功率7.5 W试验条件下,异质接头处蓝宝石与硅发生相互融合,形成3μm尺寸范围的互锁结构;同时硬脆材料异质接头处易产生的孔隙裂纹等缺陷也得到了有效抑制,通过剪切试验测得接头强度达到2.9 MPa.超快激光硅-蓝宝石异质结构的有效微连接,为大差异性硬脆材料的异质互连提供了研究基础,并在微流体器件封装中得到潜在应用.

基于BP神经网络薄板P-PAW搭接的间隙自适应工艺参数优化

对大型LNG燃料薄膜舱中1.2 mm厚SUS304L不锈钢板薄板的搭接焊,存在的搭接间隙会带来焊缝成形不良等严重影响船舱安全性的问题。本文通过激光传感器检测搭接间隙变化,设计了不同的峰值电流和焊接速度在不同间隙下的工艺实验,研究了间隙对焊缝成形质量的影响机制;基于BP神经网络建立不同间隙下的脉冲等离子弧焊(P-PAW)的工艺参数和间隙及焊缝成形尺寸之间的拓扑关系模型,通过工艺实验获取模型的训练样本,实现了基于BP神经网络的间隙自适应工艺参数优化系统。结果表明,该系统实现了不同搭接间隙下进行实时工艺参数优化的功能,并对搭接间隙在0~0.6 mm变化时所带来的空洞等缺陷起到了有效的抑制作用,实现了良好的焊接成形一致性控制,提高了在LNG薄膜舱中不锈钢板焊接的自适应能力。

激光熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层的组织与性能

利用15 kW横流连续输出CO2激光器在CCS?B钢板上熔覆WC颗粒增强Ni基合金涂层,研究了不同WC颗粒含量下熔覆层组织形态和显微硬度的变化规律。结果表明,在激光熔覆Ni基合金与WC颗粒混合粉末的过程中,WC颗粒发生溶解并与周围元素相互作用形成低熔点共晶,析出后分别以树枝状、块状与粒状等形态存在;随着WC含量增加,熔覆层上部区域γ?Ni枝晶先粗化后变细,熔覆层下部区域枝晶组织持续增多且粗化。随WC含量增加,熔覆层平均硬度增加,WC质量分数为0%时,熔覆层平均硬度约为基体的3倍,当WC质量分数增加到30%时,熔覆层平均硬度可达到基体硬度的4倍。

激光与电弧间距对激光复合焊熔滴过渡的影响

采用高速摄影设备研究了在两种焊接电流工艺参数下激光与电弧的间距变化对CO2激光-MIG电弧复合焊接熔滴过渡过程的影响.试验发现,在高速MIG焊接时熔滴过渡不稳定,在激光-MIG复合焊接时,由于激光光致等离子体对熔滴的热辐射作用和对电弧的吸引作用而改变了电弧的形态及相应的熔滴的受力状态,使得熔滴的过渡过程发生了改变,对于不同的焊接电流工艺参数,存在不同的最佳激光与电弧间距.结果表明,在最佳间距下,即两个等离子体的耦合作用良好时,熔滴过渡形式为单一的稳定射流过渡,电流电压恒定,焊缝成形良好.

激光熔覆和重熔制备Fe-Ni-B-Si-Nb系非晶纳米晶复合涂层

采用激光熔覆和重熔的方法在低碳钢CCS-B上制备Fe-Ni-Si-B-Nb系非晶纳米晶复合涂层。利用X射线衍射、扫描电镜、EDAX能谱及透射电镜分析涂层的物相、组织结构,运用显微硬度计、纳米压痕仪及摩擦磨损试验机研究涂层的显微硬度分布、微观力学性能及摩擦磨损性能。结果表明:熔覆层的组织由表面至基体分为非晶纳米晶复合区、熔覆层与基体,其中,复合区为Fe2B、γ-(Fe,Ni)多晶和非晶相的混合组织;涂层的最高显微硬度达到了1 369 HV;涂层的平均摩擦因数为0.275;涂层的主要磨损形式是磨粒磨损和粘着磨损,具有良好的摩擦磨损性能。

激光-MIG复合焊中激光与电弧前后位置对焊缝成形的影响

为了便于激光束焊接高反射率的铝合金,研究了激光-MIG复合焊方法中激光与电弧前后位置对焊缝成形的影响。激光入射角度在电弧和激光束前后相对位置不同情况下,分别对应不同的焊缝成形机制会对焊缝的表面和内部成形产生比较大的影响,激光束在前电弧在后,焊缝上表面成形均匀饱满;而电弧在前激光束在后,焊缝表面会出现倾斜沟槽。通过对焊缝不同位置进行EDX和微观硬度分析可以明显发现两种情况下Mg元素含量从焊缝上表面到底部依次增加,但硬度分布略有差别:激光在前电弧在后焊缝上部的硬度小于底部,而电弧在前激光在后焊缝上部的硬度大于焊缝的底部。对铝合金施焊之后的焊缝表面及其两侧会有一层黑色物质,通过EDX分析可以确定为铝、镁的氧化物。

激光焊接工艺的现状与进展

激光焊接作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法,在工业中的应用越来越广泛。为了对激光焊接技术进行回顾和展望,概括介绍了常用激光焊接设备及新型二极管泵浦固体激光设备的特性,激光焊接的机理,常用材料激光焊接工艺及其存在的问题,各种改善焊缝质量的工艺,塑料的激光焊接及其数学建模,以及大型激光焊接平台和双光束激光焊接技术的特点,并对国际上激光焊接技术发展的动向作出展望。