激光增材修复技术研究现状及展望

在“双碳”背景下,激光增材修复技术与绿色制造高度契合,可实现受损设备零件的快速修复,进一步提升设备的使用寿命、降低设备备品备件的存储量,具有重要的环境保护意义。本文介绍了激光增材修复原理及该技术在航空、船舶、工程机械等多个领域的典型应用范例;并从修复装备、修复工艺对修复零件微观组织和宏观力学性能的影响方面研究状况进行了深入分析;最后讨论了现阶段激光增材修复技术所面临的挑战,解决标准体系不完善、设备集成化、智能化程度一般以及材料集约化水平较弱等问题将会是未来该技术发展的主要方向。

天线一体化馈源杯体电弧增材制造探讨

目前论证的天线一体化馈源杯体最大轮廓为0.4 m×3.2 m×4 m,要做到超宽超厚的铝合金结构件需通过专门定制毛坯材料。这种非货架材料制备需改造材料制造设备,导致材料生产周期长、材料成本高,这些制约了航天超大尺寸一体化馈源结构件的制造。为实现超大毛坯的制造目的,文章通过电弧增材制造毛坯的工艺方法,得到了满意的试验结果。研究结果表明,采用连续短直线成形路径,且将起、熄点置于零件外侧的成形方法,可获得成形良好、无肉眼可见缺陷的零件,为超大毛坯制造提供了一种新的思路。

铝镁钪锆铝合金粉末激光增材修复 7B05铝合金显微组织及力学性能研究

本研究以铝镁钪锆铝合金专用粉末作为激光增材修复技术的应用材料,修复列车用7B05铝合金上的V型坡口。文章分析在激光增材修复过程中基体区、热影响区、修复区及成形区的显微组织及显微硬度演变趋势,并在此基础上对修复试样进行室温拉伸性能检测。结果表明,使用铝镁钪锆铝合金粉末激光增材修复7B05铝合金时,基体与修复区界面结合性良好,在修复区内部存在少量气孔;力学性能结果显示,激光增材修复制件抗拉强度达7B05铝合金锻件标准的80%以上。

基于安定性的压机下横梁弹塑性强度安全裕度分析

以某大型液压机下横梁为研究对象,通过分析不同载荷水平下的应力-应变分布,给出了随着载荷的增大局部高应力危险位置的分布及变化情况,并对卸载时相应危险位置的残余应力进行了研究。根据安定性理论判定了不同载荷水平下下横梁的安定性,并基于计算结果分析评估了其弹塑性安全裕度。结果表明,该下横梁在150 MN的锻造载荷下存在局部高应力位置,当锻造载荷达到170 MN时,局部高应力位置开始产生局部塑性变形,然而,计算可知在170~350 MN的载荷范围内均可达到安定状态,即虽然在初始加载状态下会产生局部塑性变形,但在后续加载过程中塑性变形不再产生,重新进入弹性响应状态,结构不会发生进一步的强度破坏。该下横梁的安定极限载荷大于350 MN,弹塑性强度安全裕度大于2.33,较为宽裕。

退火工艺对增材制造TC18钛合金力学性能和组织的影响

采用显微组织观察和力学性能测试等方法研究了退火工艺参数对增材制造TC18钛合金力学性能和组织的影响。结果表明,增材制造TC18钛合金试块宏观形貌平整,表面没有裂纹等缺陷,表面呈均匀的银白色。试样经600℃退火保温2 h后的各项力学性能均满足GJB 2744A—2007指标要求,其规定塑性延伸强度为1036 MPa,抗拉强度为1084 MPa,断后伸长率为9.8%,断面收缩率为30%。增材制造TC18钛合金的组织为典型的柱状晶组织,粗大的β相柱状晶粒内为细长的针状α相及编织细密的α+β相板条组织;随着退火温度的升高,β相柱状晶内的针状α相逐渐粗化。

CT90连续管激光焊接头在盐酸环境中的腐蚀行为分析

利用扫描电镜观察、显微硬度测试分析了CT90连续管激光焊接头微观组织及力学性能,采用浸泡方法进行了盐酸酸化液环境下激光焊接头的腐蚀行为研究。结果表明:由于激光焊的冷却速度非常快,接头区域的组织主要为贝氏体,其硬度远高于母材的。焊接接头的浸泡腐蚀产物膜疏松,不能阻止腐蚀的进一步发展。接头的平均腐蚀速率略高于母材的,腐蚀主要发生在接头区,形成了明显的腐蚀沟槽,沟槽敏感指数为1.8,表明激光焊接头对沟槽腐蚀敏感。

锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能影响

为进一步研究锥度设计对套管特殊螺纹接头密封性能的影响,利用ABAQUS有限元分析软件对不同锥度设计的套管特殊螺纹接头进行了上扣、拉伸、压缩条件下密封接触压力及接触长度的数值模拟。结果表明:内螺纹收尾处平切处理可有效提高密封面的接触压力和接触长度,扩大螺纹锥度的取值范围,但会减少全顶螺纹数量,平切深度越大,全顶螺纹数量越少,设计平切深度值时应全面考虑,避免影响接头连接强度;设计退刀槽可增加密封面接触压力和长度,但需注意其结构设计,避免造成配合螺纹的划伤或粘扣。

激光近净成形GH99合金的裂纹分析

对GH99合金在激光近净成形过程中裂纹形成的原因进行了研究和讨论,提出了优化工艺参数的解决办法。结果表明:内部裂纹呈现为短线状-针状,其在柱状晶晶界或二次枝晶间形成,垂直于沉积方向,沿细密的定向组织晶界分布和扩展;在晶界上Al和Ti元素的富集容易析出γ′(Ni_3(AlTi))相,弱化了晶界,使晶界熔化并在凝固时难以补缩,造成裂纹形核;在快速的热循环过程中,残余应力的不断累积造成裂纹沿晶界扩展;通过优化工艺参数以降低热输入,可以克服GH99合金在激光近净成形中的热裂纹形成,实现构件的无裂纹增材成形。

双重退火对激光增材制造TC18钛合金组织和性能的影响

利用拉伸试验机、扫描电镜和金相显微镜等手段,研究了双重退火工艺(890℃×1 h/FC+750℃×2 h/AC,570℃×4 h/AC)对激光增材沉积和修复两种状态的TC18钛合金的组织和力学性能的影响,并与原始锻件TC18钛合金进行比较。结果表明,激光增材修复试样微观组织为典型的类铸态组织,主要由层状β晶粒组成。激光增材修复试样经双重退火后为魏氏组织,原始β晶界仍清晰可见,晶内分布着交错的(α+β)集束。经双重退火后,激光增材沉积试样强度低于锻件,塑性高于锻件,激光增材修复试样的性能介于两者之间,其冲击性能比锻件的冲击性能高约60%。激光增材沉积、激光增材修复两种状态经退火热处理后力学性能都能达到TC18锻件规定值。

热等静压冷速对SLM成形K536合金力学性能的影响

采用激光选区熔化工艺制备K536航空发动机零件,研究了不同冷速的热等静压HIP工艺对制件组织及力学性能的影响。结果表明,激光选区熔化K536高温合金制件经HIP处理后,制件内部产生完全再结晶,金相组织为奥氏体基体及晶内和晶界碳化物,合金强度降低、塑性上升,数据分散性下降;随HIP冷速的增大,组织中晶界碳化物减少,晶内出现少量颗粒状碳化物,有效提升了合金在815℃的高温屈服强度。

保障航天产品批量生产让制造更简单

随着装备和技术的发展,金属增材制造大尺寸、高性能和高复杂度零件在航空、航天以及发动机等高端制造领域得到快速发展和应用。诸多型号产品已经由研制阶段转向批产阶段,这也迅速推动了大尺寸金属增材装备的市场需求。在大规模增材制造的场景下,加工单位最重视的无疑是设备的可靠性、成熟度、智能化、打印效率以及周边配套等因素。

BLT-A100打造高品质定制纯钛义齿支架

金属支架修复是多牙齿缺失修复的最佳选择,也是种植术后修复中最常用的一种手段。在传统工艺中,金属铸造支架对手工制作依赖性较强,生产效率低,且因人员水平参差不齐,支架成品极易变形、良品率不高。

Ni含量和烧结压力对SPS法制备NiTi合金显微组织及摩擦学性能的影响

采用高能球磨和放电等离子烧结法(SPS)在1000℃制备了NiTi合金,研究了镍含量和烧结压力对NiTi合金致密度、显微组织、显微硬度和摩擦学性能的影响。结果表明:通过高能球磨后,粉末颗粒尺寸减小,随着镍含量增加,Ni相衍射峰向高角度偏移。NiTi合金致密度随着烧结压力增大而增大,在低烧结压力下,合金致密度随着镍含量增加从94.7%降低到84.6%;在高烧结压力下,合金致密度随着镍含量增加表现出先增加后减小的趋势,在镍含量为45%(质量分数,下同)时,合金致密度最低。NiTi合金中主要由NiTi相、NiTi2相和Ni_(3)Ti相组成,Ni_(3)Ti相含量随着镍含量和烧结压力增大而增大,并且镍含量和烧结压力增大会引起Ni_(3)Ti相晶格畸变。随着镍含量从0%增加到65%时,合金显微硬度先增大后减小,在镍含量为50%时,显微硬度最大。在相同化学成分下,合金显微硬度随着烧结压力增大而增大。增大镍含量和烧结压力会降低NiTi合金磨损率,显著提高合金耐磨性。室温下NiTi合金的磨损机制是磨粒磨损和黏着磨损。

WE43镁合金激光粉末床熔融工艺研究

增材制造镁合金个性化复杂结构在航空航天、交通运输和医疗器械等领域有着广泛的应用前景。然而,镁具有活性高、易蒸发、液体流动性好、热膨胀系数高等特性,镁合金增材制造面临着诸多工艺挑战。系统研究了WE43镁合金的激光粉末床熔融(L-PBF)增材制造工艺,通过调控激光能量输入和扫描策略,获得了熔合质量和力学性能良好、成形精度高的WE43镁合金实体和多孔支架。致密度在较大工艺窗口内超过了99.50%,拉伸强度和断裂延伸率分别达到275 MPa和15%,多孔结构的实际孔隙率与设计值相差10%以内,表明所提WE43镁合金激光粉末床熔融工艺具有工业应用潜力。

热处理对激光立体成形TB18钛合金组织和力学性能的影响

采用BLT-C1000型激光立体成形设备制备了沉积态的TB18钛合金,然后采用OM、SEM和拉伸试验机等方法研究了不同热处理工艺对TB18钛合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,沉积态试验合金的宏观组织以长条形β晶粒为主,晶内由亚稳β相和针状次生α相组成,且存在贯穿β晶粒的沉积层线。随着直接时效温度的升高,原始β晶粒形状变化不大,内部次生α相厚度增加,在形貌上次生α相从针状向片状转变。直接时效温度高于550℃时,沉积层线消失,直接固溶温度高于830℃时显微组织以全β晶粒组成。固溶+时效处理后,微观组织以纵横交错的细层片状α相为主。随着直接时效温度的升高,抗拉强度和屈服强度降低,伸长率增加。固溶+时效后析出次生α相,抗拉强度和屈服强度显著增加,同时伸长率下降。综合考虑,实际生产中沉积态的TB18钛合金的最佳热处理工艺为直接时效500℃×4 h,此时强度和伸长率均高于指标要求。

退火工艺对激光立体成形TC21钛合金组织和性能的影响

利用BLT-C1000型激光立体成形设备制备了TC21钛合金块体,并对其分别进行了单级和双级退火处理,研究了单级和双级退火工艺对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,激光立体成形TC21钛合金的沉积态组织主要为网篮状组织。单级退火温度影响初生α相板条尺寸,低于550℃退火时,初生α相板条长度和宽度变化较小,高于650℃退火时初生α相板条长度明显增加,宽度略微降低。屈服强度和抗拉强度随退火温度升高而降低,断后伸长率和断面收缩率随退火温度升高而增大。双级退火时随第一级退火温度升高,初生α相含量降低,随着第二级退火温度的升高,次生α相尺寸增加。综合考虑,双级退火时宜选择870~900℃的第一级退火温度和560℃的第二级退火温度。

激光成形工艺对TB18钛合金微观组织的影响

采用BLT-C1000型SLM增材制造设备进行了TB18钛合金激光立体成形,通过3因素3水平正交试验法研究了激光功率、扫描速度、送粉率对单道沉积层和块体微观组织、形貌特征的影响,并优化了成形工艺参数。结果表明,单道沉积层柱状晶组织特征,随扫描速度和激光功率增大、送粉率降低,单道沉积层宽高比增大,对宽高比影响程度依次为扫描速度>激光功率>送粉率。块体微观组织均为双态组织,提高扫描速度,合金组织由α+β相分明的双态组织向次生α相均匀分布在β基体的组织特征转变。从获得良好组织考虑,成形工艺参数应采取扫描速度为800~1000 mm/min、激光功率为3.0~3.5 kW、送粉率为25~30 g/min适宜。