激光选区熔化成形S136模具钢的成形性能研究

采用激光选区熔化(SLM)技术成形了S136模具钢,对其相组成、微观组织、磨损性能、硬度及腐蚀行为等进行了研究.研究结果表明:水平成形方向上(正面),裂纹易于在熔化道附近产生并垂直于熔化道,因较大冷却速度产生了大量细小的针状马氏体组织,从而有较高的显微硬度(688.20 HV3),在滑动摩擦过程中形成了黏附层,磨损率较低(5 590?m3/(N·m)),在Fe Cl3溶液中发生了均匀腐蚀;而在垂直成形方向上(侧面),裂纹则垂直于SLM层-层堆积方向,显微硬度较低(649.04 HV3),磨损率为25 840?m3/(N·m),在腐蚀液中发生了层间腐蚀.上述结果进一步证实了SLM成形试样存在各向异性.最后,SLM成形了具有复杂的随形冷却流道的模具镶块,注塑应用表明采用该镶块可提升注塑冷却效率25%,降低注塑生产周期20%.     

掺杂铝合金激光选区熔化成形研究进展

激光选区熔化成形(selective laser melting, SLM)是制造轻量化、一体化铝合金结构的潜在方法,因具有材料利用率高、生产周期短和成形精度高等优点在航空航天等领域受到广泛关注。目前实现工程应用的SLM成形铝合金种类少,且成形部件力学性能低,已成为制约其发展的主要问题。为进一步提高铝合金性能,掺杂铝合金SLM成形已成为中外研究热点。对金属元素和陶瓷颗粒对SLM成形铝合金致密度、显微组织和力学性能的影响等方面的研究内容进行总结和分析,对掺杂铝合金SLM成形未来发展方向进行展望。     

选区激光熔化成形TA15钛合金的组织与拉伸性能

采用选区激光熔化成形TA15钛合金试样,利用OM、SEM等表征手段分析了选区激光熔化成形TA15钛合金组织形貌,并与板材的组织进行了对比;测试了成形试样的室温和高温拉伸性能.结果表明:可以通过选区激光熔化成形技术制备TA15钛合金,制备的TA15钛合金沿着沉积方向不断外延生长,组织呈细长柱状晶形貌,晶粒内部析出针状和片层状α相,与板材原始β晶粒被充分破碎,不存在连续的、平直的晶界,α相形貌不规则的组织存在较大差异.选区激光熔化成形TA15钛合金室温拉伸和高温拉伸性能均很优异,达到40mm厚钛合金板材水平,且横纵向性能呈现各向同性.     

热处理对激光选区熔化镍钛合金性能的影响

采用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热仪(DSC)、维氏显微硬度计和万能力学试验机等,分析了热处理温度对激光选区熔化(SLM)成形镍钛(NiTi)形状记忆合金的物相、相变温度、显微硬度和力学性能的影响．研究表明：随着热处理温度升高,激光选区熔化成形NiTi合金的相变温度先升高(奥氏体转变峰值温度为43.84℃,马氏体转变峰值温度为37℃)后降低(奥氏体转变峰值温度为1.55℃,马氏体转变峰值温度为-27.18℃);当热处理温度为300～500℃时,NiTi合金中产生马氏体组织和Ni₄Ti₃析出相,该析出相强化了NiTi合金基体;当热处理温度为300℃时,NiTi合金的硬度(HV)、拉伸强度分别为251.7和796 MPa,与激光选区熔化成形的NiTi合金相比分别提升了27.84%和31.35%．上述结果表明采用适当的热处理可以调控NiTi合金相变温度,提升其机械性能．     

选区激光熔化成形AlSi10Mg合金力学性能稳定性研究

采用选区激光熔化（selective laser melting,SLM）技术在X、Y、Z 3个成形方向上批量生产了AlSi10Mg合金棒状试样,热处理后对所有试样进行室温拉伸性能测试,并对屈服强度和伸长率等主要拉伸性能指标进行统计分析,研究采用SLM技术在X、Y、Z 3个方向成形的AlSi10Mg合金力学性能稳定性。研究结果表明：不同方向成形的试样经热处理后力学性能差异较小,伸长率和屈服强度均表现出较小的离散;各个方向成形试样的屈服强度和伸长率满足正态分布,并且在正态分布概率密度函数曲线中均表现出以均值为中心的较高程度的集中;采用SLM技术制备的AlSi10Mg合金,成形参数和热处理工艺控制得当时,可以有效地缓解力学性能的各向异性,使X、Y、Z 3个方向成形试样的力学性能具有较高的稳定性。     

基于仿真的选区激光熔化工艺结构变形补偿设计优化

针对选区激光熔化工艺中残余应力造成的变形缺陷问题，介绍了一种基于有限元仿真的选区激光熔化工艺的结构变形补偿设计优化方法.以螺旋桨结构成型为例，首先建立了宏观尺度上基于有限元方法的热-力耦合仿真模型，然后分析了成型零件中的残余应力与变形分布规律，并提出了利用变形场反馈调整零件设计的几何结构的方法，通过多次反馈迭代，实现了成型后零件变形几何与期望几何之间的形状误差逐步减小.数值试验结果表明:经过变形场反馈调整4次，成型后的螺旋桨结构相较于期望几何结构的最大形状误差下降了94%；同时也发现，设计迭代过程中，零件成型后的残余应力与实际变形基本不变.      

选区激光熔化成型过程的球化现象研究

为获得高致密及高精度金属零件,弱化甚至消除选区激光熔化快速成型过程的球化现象十分必要。本文从理论上分析金属熔池球化演变机制以及弱化球化的方法,发现熔池的气液界面有使熔池发生球化的倾向;如对上一层基础有一定的重熔量,则熔池分为熔化粉末所形成的上部熔池以及熔化基础形成的下部熔池,下部熔池不会发生球化,且对上部熔池的球化趋势起阻碍作用;上部熔池的液固界面为熔液因重力下坠与基板界面形成的液固界面,视熔液与基板的润湿性的好或坏,对熔池球化具有促进或阻碍作用。因此,保证对上一层具有足够的重熔量可有效弱化球化现象。采用铜基合金粉末进行的单道熔池成型以及多层块状金属实体成型实验也验证了上述分析。     

激光选区熔化TC4钛合金疲劳与断裂

分析了激光选区熔化ＴC４钛合金疲劳寿命及其影响因素。研究结果表明,激光选区熔化TC4钛合金的疲劳性能与传统的经过退火处理的钛合金性能相当。对断口的疲劳源分析表明,激光选区熔化TC4钛合金的疲劳裂纹起源于距离表面最近的制造缺陷,这种制造缺陷多为不规则形状,在缺陷中能够明显地观察到制造过程中产生的层间界线。通过对比分析可知,疲劳源在试样表面以下的位置及其最大跨度尺寸影响着试样的疲劳寿命。目前,制造缺陷仍然是影响激光选区熔化TC4钛合金疲劳性能的主要因素。     

选区激光熔化FeCoNiCr系高熵合金微观组织的实验研究

介绍了关于选区激光熔化的热分析理论,利用选区激光熔化技术制备FeCoNiCrAl_0.5和FeCoNiCrAl_0.8高熵合金试件.利用超景深显微镜对试件微观组织进行观测,分析了粉末粒径、元素含量,以及工艺参数等因素对选区激光熔化高熵合金的微观组织的影响.结果表明,随着激光功率增大,试件顶部等轴晶的占比越来越少,尺寸越来越细小,试件底部组织中枝晶的占比逐渐增多,尺寸不断增大;随着扫描速度增大,高熵合金试件底部组织中枝晶尺寸逐渐减小、宽度变窄;搭接率对高熵合金试件微观组织影响较小;制得的高熵合金试件存在着裂纹、凹陷及气孔等缺陷.     

选区激光熔化Al-Mg-Sc系高强铝合金的研究进展

选区激光熔化(selective laser melting, SLM)技术具有一体化快速制备复杂和高精度零件的能力,在航空航天等工业生产中有巨大的发展潜力。高强铝合金是近年来在增材制造领域发展迅速,可实现结构轻量化的重要材料,其中Al-Mg-Sc系高强铝合金在结构和性能方面具有极大的潜力。针对增材制造领域Al-Mg-Sc系高强铝合金的应用与发展,结合增材制造工艺技术,从增材制造高强铝合金合金成分、微观组织和力学性能三个方面,全面总结了增材制造Al-Mg-Sc系高强铝合金的研究现状和进展趋势。在增材制造高强Al-Mg-Sc合金领域内,应当重点关注强化元素的多元化、SLM成形合金微观组织调控以及性能特征的多元化研究等方向。     

工艺参数对选区激光熔化成型316L不锈钢组织结构的影响

选区激光熔化技术(selective laser melting,SLM)在制造高精度复杂零件方面具有很大的优势,这种零件加工方法具有节省材料、低成本和高速度的优点,在机械零件制造、生物医学和发电机制造领域具有广阔的发展前景。为研究不同工艺参数对选区激光熔化成型的316L不锈钢组织结构的影响,通过选择性熔化成型技术制备316L不锈钢材料,分析不同成型方向的晶体结构和工艺参数对材料组织结构的影响,研究不同激光功率和扫描速度下不锈钢结构的变化。结果表明:垂直扫描方向且平行于沉积方向的平面晶体为鱼鳞状,扫描平面晶体为柱状晶且连续外延生长;激光功率和扫描速度的变化将对试样的组织结构产生相应的影响,激光功率偏小会使试样表面产生明显的孔洞现象,激光功率偏大试样表面会在孔洞的基础上产生"球化";扫描速度过小试样表面产生"球化",扫描速度过大则会使试样致密度变小,产生裂纹和孔洞。因此,由激光熔化技术制作的316L不锈钢金属试样需要选择适当的激光功率和扫描速度才能有效减少球化和孔洞的产生。     

Ti64合金激光选区熔化的数值模拟研究

为研究工艺参数对制件成形及性能的影响,以指导实验与生产采用数值模拟的方法,比较激光功率、扫描速度、扫描方式3种工艺参数对制件温度场的影响及同一工艺参数下应力应变场情况。结果表明:当激光功率增大,瞬态温度场面积增大,熔池温度峰值增大;当扫描速度增大,其温度场收缩,温度梯度增大;相对于同向烧结方式,蛇形烧结方式前一段的温度场对上一道烧结具有保温作用,使温度梯度减小。推荐使用激光功率90 W扫描速度50 mm/s,蛇形烧结方式对Ti64合金进行烧结。     

选区激光熔化成型TC4钛合金的拉伸性能

为实现选区激光熔化成型的TC4钛合金在军用航空上的应用,减小选区激光熔化成型的TC4钛合金垂直沉积方向(XY方向)与平行沉积方向(Z方向)的拉伸性能差异,在室温状态下对选区激光熔化成型的TC4钛合金进行准静态拉伸试验,结果表明选区激光熔化的TC4钛合金两种方向取样的拉伸性能都达到了中国与美国AMS宇航钛合金标准。TC4钛合金沿XY向取样合金的抗拉强度与屈服强度要略高于沿Z方向取样,断后伸长率与断面收缩率略小于沿Z方向取样。合金断口为韧窝特征形貌,与XY方向取样相比,Z方向取样断口剪切唇区域尺寸分布比例略小,纤维区差异不大。     

选区激光熔化成型过程的球化现象

为获得高致密及高精度金属零件,有必要消除选区激光熔化快速成型过程的球化现象.文中从理论上分析了金属熔池球化的演变机制以及消除球化的方法,发现改变激光功率、扫描速度、铺粉厚度等成型参数可以弱化球化现象的原因,在于能对上一层基础有足够的熔化量:如对上一层基础有熔化量,则熔池分为熔化粉末所形成的上部熔池以及熔化基础形成的下部熔池;上部熔池受气液界面张力的作用,总有发生球化的趋势;但下部熔池不会发生球化,且对上部熔池的球化趋势起阻碍作用,当下部熔池熔液充分多时,会完全消除上部熔池的球化现象.采用平均粒径为75μm的铜基合金粉末,在150及80W激光功率下改变扫描速度及铺粉厚度进行的成型实验证实了上述分析.     

工艺参数对316L不锈钢选区激光熔化成型组织性能的影响

采用选区激光熔化(SLM)技术制备了316L不锈钢试样,通过金相观察、硬度试验和拉伸试验,研究了激光功率和扫描速度对试样组织性能的影响.结果表明:316L不锈钢SLM成型件抗拉强度、屈服强度、硬度优于普通成型316L不锈钢,但其塑性稍差;成型件孔隙缺陷的出现是影响其力学性能的关键;随着扫描速度的增加或激光功率的减小,成型件形成孔隙缺陷的几率增加,导致其力学性能呈下降趋势,当激光功率较低且扫描速度较大时,出现粉末未熔化现象,导致其力学性能急剧下降;激光功率为275 W,扫描速度为0.7 m/s时成型件显微组织最优,抗拉强度、屈服强度、断后伸长率及硬度值最佳.     

选区激光熔化直接成型金属零件致密度的改善

为了提高选区激光熔化(SLM)成型金属零件的致密度,对激光扫描单道熔池的形成特性进行了研究,探讨了扫描速度、激光功率对熔池宽度的影响,发现熔池附近无粉区宽度与熔池宽度有直接关系,并分析了激光连续扫描粉末情况下的扫描线间搭接缺陷.根据单道熔池的形成特性,提出采用层间错开扫描策略,该扫描策略将零件致密度提高到近100%,使层间与层内的熔池搭接紧密,SLM成型件的拉伸强度、延伸率、显微维式硬度分别达636MPa、15%~20%和250~285.实验结果表明,层间错开扫描策略对SLM直接成型金属零件的致密度与力学性能有明显的改善.     

基于各向异性热导率设置的选区激光熔化成形过程仿真分析

针对选区激光熔化(SLM)工艺下零件中高残余应力问题,同时考虑到打印过程中熔池对流效应,本文通过设置各向异性热导率材料参数,利用有限元方法对Inconel 718合金粉末SLM成形过程中的温度场和应力场进行模拟,分析了基板预热温度对成形件残余应力的影响。结果表明,选择合适的各向异性热导率增强系数可显著提升温度场的仿真精度,并且越靠近热源中心区域,温度梯度越大;在应力方面,高应力区域集中分布于成形件上表面,最大残余应力位于成形件与基板的交界处,此处易发生开裂变形;采用基板预热方式能改善成形件中残余应力分布,随着预热温度提升,最大残余应力降低,成形件上表面高应力分布区域减小。     

等激光能量密度下选区激光熔化TC4钛合金的表面形貌和硬度

以TC4钛合金粉末为原料,通过选区激光熔化工艺(Selective Laser Melting, SLM)成形试验并结合数值模拟,探讨了相等激光能量密度下,工艺参数对成形件性能的影响。结果表明:在等激光能量密度下,激光功率和扫描速度对熔池尺寸有着显著的影响;在本实验中铺粉层厚是影响试样表面粗糙度的最主要因素,最佳铺粉层厚为0.03mm;虽然激光能量密度相同,但是不同工艺参数组合依然会影响试样的表面形貌和微观组织;等激光能量密度下不同的工艺参数组合对SLM沉积态的表面硬度没有发现显著影响。     

粉体特征对选区激光熔化Al-Si合金成型性能的影响

以Al-12Si、Al-10SiMg、Al-7SiMg、Al-5Si 4种Al-Si合金粉体为研究对象,分别对其颗粒形貌、粒径分布和流动性等物理性能进行了表征。在不同的工艺条件下进行了选区激光熔化（SLM）成型试验,获得了优化后的SLM工艺参数,并对成型后样品的致密度、微观形貌和断口形貌等特征进行了分析,系统研究了颗粒大小、形貌和分布等粉末特征对SLM成型性能的影响规律。结果表明,SLM成型过程中,粉体的颗粒形貌、分布以及流动性等物理特征对材料的成型性能影响很大。粉体的球形度、流动性越好,粒径分布越窄,SLM成型后样品的致密度越高,微观形貌中缺陷越少,成型性能越好。     

扫描间距对选区激光熔化成形CoCrFeNiMo0.2高熵合金微观结构及性能的影响

通过选区激光熔化(SLM)制备CoCrFeNiMo_0.2高熵合金,研究扫描间距对合金微观组织及力学性能的影响。研究结果表明：SLM成形的合金具有由熔池、柱状晶和胞状晶等组成的多层级结构。随着扫描间距增加,试样的相对密度先增加后减小,当扫描间距为0.15 mm时,合金的相对密度最高,达到99.7%。随着扫描间距增加,胞状晶的尺寸逐渐减小,合金的织构逐渐减弱。当扫描间距为0.05 mm时,胞状晶尺寸约为0.99μm,试样沿建造方向呈现较强的[001]织构;当扫描间距增加至0.20 mm时,胞状晶尺寸减小至0.36μm,织构基本消失。当扫描间距为0.15 mm时,合金的综合性能最佳,其屈服强度、抗拉强度和断裂伸长率分别达到696 MPa、945 MPa和31%,较传统的熔铸CoCrFeNiMo_0.2高熵合金强度提高了约60%。SLM成形的合金中由熔池、柱状晶和胞状晶等组成的多层级结构(尤其是纳米胞状晶结构)是合金性能优异的主要原因。