超声滚压微锻造增材件表面力学性能

增材制造Ti-6Al-4V钛合金构件时，易出现裂纹、表面粗糙度大等缺陷.为了解决这一问题，将应用于表面强化处理的超声滚压微锻造工艺与增材制造过程相结合，通过有限元软件模拟了激光熔丝增材制造及冷却过程，并分析了超声滚压微锻造加工对增材件表面力学性能的影响.结果表明：在经过超声滚压微锻造加工后，增材件残余应力由拉应力转变为较大的压应力，有效降低了增材件产生裂纹等缺陷的风险，同时，加工后的增材件表面等效塑性应变增大，表面显微硬度提高，且超声滚压微锻造加工对滚压头接触区域影响最大.     

同轴送粉激光增材工艺对温度场及应力场的影响

激光增材制造过程中金属零件能否顺利成形以及成形后组织性能的优劣直接取决于工艺参数的选择。为研究激光工艺参数对增材构件温度场和应力场的影响,本文研究基于顺序热-力耦合有限元方法对在304L基板上进行同轴送粉激光增材GH4169合金粉末的单道单层工艺开展数值模拟研究。在实验验证数值模型有效性的基础上,深入分析激光功率和扫描速度对不同区域的温度场和残余应力的影响,并探讨应力场与温度场之间的关系。在沉积层边缘区域,提高激光功率和降低扫描速度都会明显降低沉积层和基板在降温过程中的温度梯度,且该温度梯度与该位置的横、纵向残余应力呈明显的正比关系。在沉积层内部,扫描速度的变化对横、纵向温度梯度和残余应力影响微小,提高激光功率使得该区域的纵向温度梯度明显降低,但横、纵向残余应力略有增大,熔池中心区域的残余应力和温度梯度不存在明显的正比关系。     

选区激光熔化马氏体时效钢(18Ni300)工艺参数研究

采用单因素条件变量分析方法,研究选区激光熔化(SLM)增材制造过程中激光功率和扫描速度对马氏体时效钢成形件表面质量、相对致密度和硬度的影响规律.结果表明,随着激光扫描速度增大,试件表面熔道球化效应增强,内部缺陷增多,试件相对致密度和硬度逐渐降低;随着激光功率增大,试件表面熔道重熔区域变大,但试件的相对致密度和硬度无明显变化.本研究可为马氏体时效钢选区激光熔化工艺参数的合理选择提供参考.     

氧化铝激光立体成形过程中熔池气化特性

针对激光辐照条件下熔池难以观测的问题,采用电焊镜片进行滤光处理,研究了氧化铝陶瓷材料激光立体成形过程中熔池特性。通过调节激光功率、扫描速度及送粉速率等工艺参数,研究了熔池特性与工艺参数之间的关系。研究结果表明:在对氧化铝陶瓷材料进行激光立体成形时,熔池内激光光斑处极易出现气化现象。随着激光功率的提高,以及扫描速度和送粉速率的降低,熔池内的气化现象呈现加剧趋势。     

激光金属成形缺陷在线检测方法及热场仿真

针对激光金属沉积(LMD)增材制造过程中易产生微裂纹等冶金缺陷,严重影响制件疲劳力学性能的问题,提出了LMD增材制造冶金缺陷在线红外扫描检测的方法。为验证该检测方法的可行性,进行了LMD钛合金试件人工裂纹缺陷热场仿真分析与红外测温扫描检测实验研究。通过缺陷热场仿真分析揭示了红外测温特征峰峰高与裂纹宽度、深度的关系规律。人工裂纹检测实验表明,红外测温仪探头扫过各人工裂纹上方时,测温波形会出现明显增高的特征峰。通过仿真拟合关系式计算的裂纹宽度-温升幅度曲线与实验数据曲线的比较验证了仿真分析结果的正确性。     

多次激光冲击对电子束熔化成形Ti–6Al–4V合金的微观组织及力学性能的影响

激光冲击强化作为一种先进的表面处理技术，利用强激光束产生等离子冲击波，可用来提升增材制造金属构件的力学性能。然而，激光冲击对增材制造金属构件力学性能的影响机制仍不清晰。本文研究了多次激光冲击对电子束增材制造（EBM）Ti–6Al–4V钛合金的微观组织及力学性能的影响。系统地分析了多次激光冲击前后电子束增材制造Ti–6Al–4V钛合金试样的微观组织、表面形貌、残余应力及拉伸性能。通过x射线计算机断层扫描三维成像技术分析了激光冲击前后电子束成形试样的内部孔隙分布。研究结果表明，经过两次激光冲击强化处理，可以降低电子束成形Ti–6Al–4V合金试样内部孔隙，细化表层晶粒；两次激光冲击强化后试样抗拉强度提升了12%。此外，试样表层应力状态发生改变，表层产生的最大残余压应力达到419 MPa，影响层深度达到700 μm。多次激光冲击提升EBM成形钛合金力学性能的强化机制可归结为α相的晶粒细化与较深的残余压应力层的形成。     

超声微锻造辅助激光熔丝增材制造数值模拟研究

激光熔丝增材制造技术能大大提高制造效率,但制件存在复杂的残余应力,导致制件内部缺陷多.为了解决这些问题,将超声微锻造与滚压相结合对制件表面进行高频率击打,使金属表层产生塑性变形,将原有的拉应力转变成压应力.以TC4为研究对象,利用ANSYS对激光熔丝过程进行热-结构耦合数值模拟,并施加超声滚压微锻造,分析微锻造前后应力场的变化情况.研究结果表明:激光熔丝熔覆层应力分布更加均匀,拉应力减小,甚至转化为压应力,有效地抑制制件内部缺陷的形成.     

增材制造成形工艺及其关键技术研究

在研究增材制造技术发展的基础上,对成形工艺过程中的关键技术问题以及裂纹、孔隙、球化等现象,采用理论计算、数值模拟和实验设计分析相结合的方法,进行了增材制造工艺过程分析与成形方法优化。结果发现:成形的材料、工艺、热量输入的瞬时性、局部性及其连续性等因素,制约产品成形的精度和质量,直接决定成形件的致密度和力学性能。通过研究与分析,提出了具体的解决思路与方法,同时也为该领域研究提供了理论基础和研究方法。     

真空浸渍对增材制造SiC陶瓷组织和性能的影响

为了获得高性能SiC陶瓷复杂构件,建立了碳纤维增强SiC陶瓷材料的激光增材制造及真空浸渍后处理方法,研究了短切碳纤维-酚醛树脂复合粉末材料的设计制备规律及激光增材成形方法,探讨了真空浸渍工艺对激光增材成形SiC陶瓷坯体的微观组织及力学性能的影响。研究表明,随着浸渍次数的增加,SiC陶瓷的体积密度和力学性能先上升后降低。当真空浸渍2次时,树脂残碳密度达0.39 g/cm³,反应熔渗后碳化硅体积分数达到最大值(71.4%),材料性能达到最优,相较于未真空浸渍处理的增材制造SiC陶瓷,体积密度提高了13%(2.87 g/cm³),弯曲强度提高了141%(251.8 MPa),断裂韧性提高了41%(3.22 MPa/m^1/2)。     

高速高精光固化增材制造技术前沿进展

增材制造技术被称为新工业革命的标志性技术,立体光刻在能源器件、加工材料、制造方案的迭代中,发展出多种高分子材料快速成形技术方案。作为制造技术关键评价的速度、精度指标,始终引领着宏微观尺度光固化增材制造技术发展方向,推动形成崭新的技术方案。光固化增材制造技术由早期的激光点扫描成形,逐步发展出面制造、体制造。文中通过分析近5年来国内外高速高精光固化前沿文献,讨论了7种方法的技术原理、关键器件能力限制、创新特点和其面临的工程应用问题,包括体成型技术:计算轴向光刻技术和激光全息投影技术;面成型技术:连续液面生长技术、双波长光源直写光刻技术、高速大尺寸技术、飞秒投影双光子光刻微纳技术、双紫外臭氧动态掩模技术。并比较了这7种技术的科学依据技术原理与工程问题,揭示该技术的迭代演化规律和潜在应用场景。     

增材-微锻造加工工艺应力场数值模拟研究

激光熔丝增材制造过程中,材料快热快冷的特点使熔覆层产生不利于表面强度的残余应力,而增材-微锻加工工艺可提高增材制件的加工质量,改善增材制件微观组织及力学性能缺陷.以TC4为研究对象,通过超声微锻造工具头与熔池保持一定的相对距离做进给运动,对材料表面进行高频次冲击与滚压,使熔覆层表面得到改善和强化.对增材-微锻加工工艺进行顺序热结构耦合数值模拟研究,分析加工过程中熔覆层应力场变化情况.研究表明:对尚未冷却的增材熔覆层表面进行超声微锻造,熔覆层由于热源加载产生的残余拉应力转化为较为有益的残余压应力,降低了熔覆层表层缺陷发生的概率.不同的超声振幅、进给速度以及锻造温度参数对残余压应力及法向变形量有较大影响.     

增材制造原材料发展现状

增材制造是近30年快速发展的先进制造技术,其优势在于三维结构的快速和自由制造,对传统机械制造行业产生了巨大的影响。原材料作为增材制造的物质基础,其性能和价格将是制约增材制造快速发展的瓶颈。根据化学成分分类综述了高分子材料、金属材料、陶瓷材料在增材制造领域的应用现状,指出国内增材制造原材料的问题和差距,并对未来的发展方向进行展望。     

飞秒激光诱导Al_2O_3陶瓷表面微纳结构及润湿特性研究

飞秒激光以其极短脉宽和极高的峰值功率几乎可以胜任任何材料的加工.利用飞秒激光微加工平台,通过单点烧蚀和线扫描微加工的方式,在工业级氧化铝陶瓷材料表面诱导出随机分布的纳米结构和条纹结构,条纹结构的周期约为314 nm.文章研究了激光脉冲个数、扫描速度和偏振方向等参数对氧化铝陶瓷表面微纳结构形成的影响.结合激光直写技术,在陶瓷表面诱导出大面积的微纳结构分布,分析了加工前后陶瓷表面润湿特性的变化,实现了陶瓷表面改性.     

增材制造技术的应用及发展

增材制造技术是基于材料堆积法的高新制造技术,被认为是近20年来制造领域的一个重大成果.增材制造技术作为一种重要的数字化制造技术,可以由三维数字模型直接成形任意复杂实体结构,省去了传统的材料去除制造方法中使用的刀具、工装、冷却液和其他辅助装置,在产品单件或小批量生产方面具有显著的成本和效率优势.介绍了增材制造技术的发展现状、原理与特点,对目前较为先进的金属成型工艺作了重点介绍,阐述了增材制造技术的工程应用及其今后发展趋势.     

工艺参数对陶瓷激光热应力切割质量的影响

建立了激光热应力切割有限元仿真模型,用于研究三维对称氧化铝陶瓷基片切割过程中的温度场和热应力场分布,以及激光功率、陶瓷厚度和切割速度等工艺参数对材料表面最高温度和应力的影响,并通过对比实验验证了该模型的正确性.结果表明,随着裂纹尖端的临界正应力增加,断裂表面的微裂纹加深,并引起材料表面的颗粒剥落,使得切割断面的粗糙度增大.     

激光增材再制造修复技术的现状与发展趋势

激光增材再制造技术是基于激光熔覆、激光堆焊等激光沉积技术原理实现各种金属零部件损伤部位的几何尺寸或综合性能恢复的绿色制造新技术。针对激光增材再制造技术,本文具体阐述了增材再制造技术的国内外现状,并详细介绍了激光增材再制造的工艺类型以及在各行业的应用,最后展望了激光增材再制造技术的发展趋势。     

增减材复合制造WC颗粒增强316L不锈钢材料组织性能

基于自主研发的增减材复合工艺技术与装备，探索了激光功率和WC颗粒质量分数对316L不锈钢复合材料致密度、组织演变和表面耐磨性能的影响规律.结果表明:随着WC质量分数的增加，试样致密度呈现先升高后降低的趋势，而硬度和耐磨性能均逐渐提高，过多的WC颗粒会使工件内部产生热裂纹，同时降低了工件的表面质量；当激光功率由270W提高到330W时粉末充分熔化，凝固后未熔合缺陷明显减少.当WC颗粒质量分数为5%、激光功率为330W时，增材件的致密度最高达到99.6%；相比未添加WC颗粒的工件，力学性能、耐磨性能和表面质量等指标均有明显提高.     

航空发动机及燃气轮机用关键材料的激光增材制造研究进展

增材制造技术可以突破传统工艺的加工和设计局限,实现高性能复杂结构零件的一体化直接成形,在航空发动机及燃气轮机（两机）领域有着巨大的应用潜力。针对镍基高温合金、钛基合金和高强度钢等3类合金,综述了激光工艺参数、成分改性以及外场作用下的微观组织特点和调控方法;比较分析了室温和高温条件下的典型力学性能特征,以及增材制造合金的工艺参数—微观结构—力学性能映射关系,并总结了上述材料在两机领域关键构件的增材制造应用现状和典型案例;展望了面向两机领域关键构件的新型增材制造技术、微观组织调控技术、专用合金体系以及增材制造过程稳定性研究,进一步推动增材制造技术在两机关键领域的推广和应用。     

陶瓷3D打印挤出光固化辅助成型工艺研究

基于墨水直写式打印(direct ink writing,DIW)的3D打印技术使3D打印材料摆脱了材料属性的限制,为多种材料提供了实现增材制造的可能.为了保证打印成品件具有陶瓷材料优良的力学特性,对陶瓷材料的3D打印挤出成型过程中的各项工艺参数进行了研究.通过流体理论计算并使用Fluent对影响陶瓷材料小口径挤出过程的挤出速度、挤出口径等工艺参数进行了数值模拟,得到相关挤出工艺参数与挤出量之间的关系.基于数值模拟结果设计了包括电机挤出速度、挤出头口径、打印移动速度、打印层高度和激光固化功率为因素的试验,分析了各项工艺参数对挤出成型过程的不同影响.     

旁路耦合微束等离子弧增材制造

在分析旁路耦合电弧焊的基础上,提出了旁路耦合微束等离子弧焊(DE-MPAW)方法.该方法以微束等离子弧焊炬为主路,填充焊丝为旁路,通过可调电阻调节旁路电流大小.在不降低成形效率的基础上,减小成形件的热输入,从而有利于电弧增材制造.在此基础上开展了DE-MPAW焊接方法的初步研究.在DE-MPAW焊实验系统及测控的基础上,对比研究了不同旁路电流下DE-MPAW焊熔滴过渡情况;分析了母材热输入随旁路电流的变化规律,研究了焊缝成形的变化情况;初步开展了DE-MPAW增材制造单道多层的堆垛研究.结果表明:随着旁路电流的增大,其熔滴过渡频率、母材热输入、熔深都相应地减小,且DE-MPAW方法能够较好适用于增材制造.