2195铝锂合金搅拌摩擦增材制造成形与性能研究

搅拌摩擦增材制造作为一种新型固相增材制造技术,能够有效避免高强铝锂合金元素烧损的同时获得高性能增材构件。本文提出自限位搅拌摩擦增材制造方法,以铝锂合金带材为原料制备多层增材结构件。结果表明,搅拌摩擦增材区内材料流动充分,层间冶金结合良好。增材层晶粒尺寸和沉淀相分布主要受热–机械效应影响,搅拌道次越少的区域,热机效应小,沉淀相越多,硬度越高。单层增材厚度1 mm,增材速率达200 mm/min,增材区硬度最高为126.8HV,达到2195–T8铝锂合金的79.3%。同时,由于部分Cu元素固溶于增材区,搅拌摩擦固相增材区的耐腐蚀性能优于母材。     

铝合金搅拌摩擦焊后人工时效力学性能数值模拟

采用KWN模型构建搅拌摩擦焊接中Al-Mg-Si系铝合金沉淀相演化计算模型,通过将屈服强度分为晶粒大小、固溶相和析出相三部分贡献,可以计算平板搅拌摩擦焊后的屈服强度和硬度。进一步研究不同焊后人工时效条件下,焊接平板力学性能变化的机理。结果表明:更长的焊后保温时间有利于搅拌区力学性能的回复;较高的保温温度有利于搅拌区力学性能的快速回复,但是当温度高于200℃时,长时间保温会使母材软化,不利于力学性能回复;通过焊后人工时效不能明显改善热影响区的力学性能。     

增材制造阵风锁支座的装机应用研究

根据3D 打印技术的装机推进要求，在完成材料及工艺的验证后，即开始进行试片级增材制造材料许用值试验以及增材制造零件级试验。增材制造的零件由于其工艺特点，通常X-Y 方向与Z 方向力学性能有差异，与传统金属零件设计时各向同性的特点有差异，因此有必要在接近真实飞行状态下测试其力学性能。以增材制造阵风锁支座为例，计算飞机运营过程中最大载荷状态，选取最典型的载荷方向进行工装试验方案设计；在试验开始前，进行工程计算和软件仿真，预测失效模式和失效载荷。结果表明：软件仿真和工程计算的结果准确有效，增材制造钛合金阵风锁支座的力学性能稳定，能够承受极端工况的考验，满足装机要求。     

金属超声波增材制造技术的发展

近年国外发展起一套新的超声波增材制造技术,它采用大功率超声能量,以金属箔材作为原材料,利用金属层与层之间振动摩擦产生的热量,促进界面间金属原子相互扩散并形成界面固态物理冶金结合,从而实现金属带材逐层叠加的增材制造成形,同时将固结增材过程与数控铣削等减材工艺相结合,实现了超声波成形与制造一体化的超声波增材制造技术.与高能束金属快速成形技术相比,超声波增材制造技术具有温度低、无变形、速度快、绿色环保等优点,适合复杂叠层零部件成形、加工一体化智能制造,在航空航天、武器装备、能源、交通等尖端领域有着重要的应用前景.本文介绍了超声波增材制造技术的原理及发展,以及该技术在叠层复合材料的制备和零部件制造等方面的应用,同时介绍了国内超声波增材制造技术的研究进展.     

大型整体金属结构增材制造技术适航验证

针对民用飞机主承力结构金属增材制造技术适航验证方面存在的问题,开展金属结构增材制造技术适航验证研究。通过增材制造技术适用适航条款分析,给出了民用飞机金属结构增材制造技术适航验证思路,包括材料规范的建立、增材制造工艺的认证、材料强度性能的确定、结构特殊系数的选取和结构性能的验证,对每项验证方法给出了具体实施途径。以某型号前起落架支柱外筒增材制造A-100超高强度钢为例,给出了大型整体金属结构增材制造技术适航验证具体实施方案。     

基于增材制造的异种金属一体化成形关键问题

随着航空航天技术的发展关键部件性能需求逐渐提高,单一材料部件已经无法满足严苛服役条件下的性能需求,而异种金属材料的直接近净成形制备是航空航天、国防及军工等关键领域研究的重点方向。目前传统异种金属材料制备面临加工工艺与材料物性匹配问题、界面缺陷控制以及一体化成形困难等诸多瓶颈,利用增材制造技术制备异种金属部件成为材料成形及增材制造领域的重要发展方向。本文介绍了定向能量沉积、激光选区熔化和电子束熔化在异种金属增材制造中的研究现状,对粉末铺放工艺、高能束与粉层适配性、全互溶合金析出相控制、非互溶材料高能束连接问题及界面成分分布控制进行了梳理与总结,并提出了解决方法。最后,对异种金属增材制造在航空航天领域的未来发展方向进行了展望。     

激光增材制造TC4/TC11钛合金梯度结构温度场预测与显微组织分析

使用激光增材制造技术制备TC4/TC11钛合金梯度材料典型沉积试样,测量沉积过程中3个特征位置的温度历程,并对沉积试样进行显微组织观察。建立了激光增材制造TC4/TC11梯度材料结构温度场预测有限元模型。有限元模型的温度场计算结果与试验结果吻合较好,同时有限元模型所计算的Tβ温度转变线位置与试样显微组织中观察得到的结果一致。显微组织观察结果表明,试样中无缺陷,顶部为等轴晶区域,从增材底部到等轴晶区域之间存在贯穿整个增材区域的柱状晶;在Tβ温度转变线两侧微观组织有明显不同:最后一层增材过程中,温度超过Tβ的组织冷却后为超细α+β网篮组织,温度未达到Tβ的组织冷却后为带有大量α集束的α+β网篮组织;在设计界面(材料组分变化位置)处组织连续、无突变。     

基于激光增材制造技术的航天运载器上面级舱体结构一体化设计与成形方法

为将激光增材制造(LAM)技术更加广泛的应用于航天运载器结构设计与成形,基于激光选区熔化(SLM)现有成形能力,实现了航天运载器上面级舱体结构一体化设计。具体建立无连接件的整舱一体化模型,成形缩比一体化舱体产品,并通过静力试验验证了基于激光增材制造技术的一体化设计与成形方法的可行性,从而对其在航空航天领域推广应用的技术途径进行探索。     

增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法

应急保障和战时抢修是增材制造技术发展的重要方向之一,也给面向增材制造的结构优化设计提出了新的挑战。为了实现异种材料原位替换件的构型设计,提出增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法,并以机用散热风扇为例开展应用研究。通过分析散热风扇服役环境和战时抢修需求,在变密度方法框架下建立结构总重量和转动惯量控制在原件数据附近小范围以内、以结构整体柔顺度最小化为目标的拓扑优化问题列式,并完成灵敏度分析公式推导。从拓扑优化结果及其重构模型的仿真数据可知：散热风扇替换件拓扑优化结果收敛性好、满足所有设计要求,重构方案满足增材制造工艺性要求,验证了本文设计方法的有效性。     

热处理制度对激光增材制造TA15钛合金力学性能的影响

进行了普通退火态和双重退火态激光增材制造TA15钛合金显微组织观察和力学性能试验.试验结果表明:普通退火态为细片层α+β超细网篮组织,双重退火态为端部带根须状形貌的初生α相+超细β转变组织构成的特种双态组织;普通退火态激光增材制造TA15钛合金极限强度、屈服强度和疲劳极限均优于双重退火态;双重退火态激光增材制造TA15...     

激光增材制造过程数值仿真技术综述

数值仿真是研究激光增材制造过程中各类物理现象、揭示零件缺陷形成机理、优化增材制造工艺参数的重要手段,该领域学者针对增材制造过程中的热分析、金属粉末颗粒性质分析、微观结构分析、质量缺陷成因分析等方面,开展了大量研究,提出了相应的数学模型和方法。激光增材制造过程的数值仿真是一个在空间和时间上均跨越多个尺度的复杂问题,微观、介观、宏观尺度下数值仿真所关注的对象和所使用的方法各不相同;多数研究聚焦于某一尺度下的过程仿真,另一部分研究则基于不同模型的数据关系建立模型间的耦合关系,实现热-相、热-力的综合分析。对现阶段激光增材制造数值仿真领域的主要技术进行了综述,在梳理数值仿真基本流程的基础上,对其中涉及的热源模型,粉末模型,力学模型以及微观结构模型进行了介绍,讨论了其特点和适用性;结合相关技术领域的发展,探讨了激光增材制造数值仿真技术的发展方向,旨在为本领域的技术研究与发展提供参考。     

铝合金空间热辅助搅拌摩擦焊技术

焊接作为一种重要的制造技术,对于大型空间结构与机构的在轨组装、维修具有重要意义。在总结国外空间焊接技术发展现状的基础上,提出了基于光源同轴加热辅助的空间搅拌摩擦焊技术,并利用激光进行了地面焊接装置研究与工艺试验。结果表明,采用无倾角光源同轴加热辅助搅拌摩擦焊技术,可实现铝合金的可靠焊接;辅助加热可提高焊接速度,降低缺陷发生率。该方法为我国空间焊接技术发展提供了一种新的思路和有益探索。     

增材制造技术在航空装备深化应用中的研究

增材制造技术对飞机结构研制起到了重要作用,但其应用潜力尚未完全发挥.通过梳理增材制造技术在航空装备中的应用现状与特点,分析了增材制造技术在航空领域的应用发展趋势,并从结构设计、专用材料、制造工艺、性能验证4个方面对制约增材制造技术全面深化应用的关键因素进行了分析探讨.     

镁合金AZ31搅拌摩擦焊接温度场数值模拟

针对5mm厚AZ31镁合金搅拌摩擦焊接过程进行三维有限元传热分析，并推导搅拌摩擦焊接(FSW)产热的数学模型，计算FSW过程不同时刻和不同位置温度分布。计算结果表明：起焊时有一个预热作用，预热对搅拌摩擦焊接过程有利；搅拌摩擦焊接过程中准稳态时最高温度为460℃左右，低于镁合金的熔化温度，属于固相连接。温度场测量结果显示：计算结果与测量结果较吻合，说明温度场模型的建立基本符合搅拌摩擦焊接过程。     

扩散焊固相增材制造技术与工程化应用

扩散焊固相增材制造技术是采用分层实体制造(laminated object manufacturing,LOM)思想,用机加工、化学蚀刻等精密加工方法制作出二维层板结构,然后将层板按照三维结构顺序装配堆叠,通过固相扩散焊连接整体成形,是工业化应用最成熟的固相增材制造方法。介绍了该方法针对不同材料在航空航天、核能、精细化工、船舶、注塑模具等领域已实现工程化的典型应用以及设备制造现状,并预测了未来扩散焊工艺开发与设备制造的发展方向。     

民用飞机起落架激光/电子束增材制造技术应用研究

增材制造是先进制造技术的发展方向之一,民用飞机增材制造技术的应用取决于增材制造技术和适航验证技术的成熟度以及材料标准体系的完善度,对民用飞机起落架典型结构所用的A-100、TC18材料进行了激光/电子束增材制造技术应用研究,建立满足适航要求的材料与工艺认证、力学性能表征、内部质量控制与无损检测评价体系。     

增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划研究进展

增材制造技术基于“离散–堆积”原理,通过对三维数字化模型进行数据预处理、切片与路径规划,并生成增材系统可识别的执行代码,驱动增材设备实现零件的快速制造,近年来,该技术在航空航天、汽车、船舶、医疗、建筑等行业得到了广泛应用。切片与路径规划是增材制造三维数字化模型数据处理的核心步骤,决定着制造过程的工艺变量、零件形状精度和性能。首先综述了目前增材制造中基于CAD模型、点云模型、STL模型、体素模型等多种数字化模型切片方法研究进展,并从各模型生成精度、切片算法原理、算法效率等方面展开了评述;其次,对平面与非平面的等厚度、变厚度、变方向及分区组合等多种切片算法,以及平面单区域、多区域、局部特征及非平面等多种路径规划算法进行了综述,初步分析和梳理了切片及路径规划算法的设计要点;最后,总结了目前增材制造数字化模型平面与非平面切片及路径规划的研究现状,并对其发展趋势进行了展望。     

增材制造Ti–6Al–4V组织的演化与拉伸性能的差异

Ti–6Al–4V适用于多种增材制造技术,但是不同增材技术制造的Ti–6Al–4V组织演变形式不同。以沉积效率最低的选区激光熔化和沉积效率最高的电弧填丝增材制造技术为研究对象,总结了这两种工艺条件下Ti–6Al–4V微观组织的演变形式和拉伸性能的差异。选区激光熔化制造的Ti–6Al–4V组织以α'马氏体为主,使其延展性降低。电弧填丝增材技术制造的Ti–6Al–4V晶粒粗大、存在晶界α相,导致其强度较低。针对这些问题,提出了有效改善性能的方法,同时对这两种增材技术的发展和未来的研究趋势进行了预测。     

变温热处理过程的相场模拟及其参数标定

航空发动机双性能涡轮盘热处理工艺的研究,大多采用试验的方法建立涡轮盘合金的热处理工艺数据库,但试验法的研究周期长、成本高,提出一种可用于预测变温热处理过程中晶粒演化行为的相场模型。为了模拟不同热处理温度下高温合金的晶粒演化行为,对相场模型进行改进,在相场模型中引入Arrhenius关系,用于描述高温合金晶界运动与温度的量化关系。基于改进的相场模型和拟合的模型参数,计算分析热处理过程中晶粒尺寸的变化和形貌演化规律。结果表明:计算数据与试验数据吻合,晶粒的演化规律与理论分析和试验观察结果一致,证明了拟合的Arrhenius关系中的晶界迁移速率M适用于模拟相应温度下的热处理过程,同时,以上结果也验证了该模型改进方法的可行性及其拟合参数的准确性。     

电子束熔丝增材制造过程随动测温阵列系统

实时监测电子束熔丝增材制造过程的温度场分布对于抑制变形、提高电子束熔丝增材制造质量具有重要意义。研制了一套电子束熔丝增材制造过程的随行动态测温阵列系统,对整个装置进行了系统设计、硬件集成、软件编写和试验验证。结果表明,该随动测温阵列系统在电子束熔丝增材制造过程的高真空、高温、高辐射、高金属蒸气等恶劣环境中能稳定工作,不仅能在正常状态下进行测温,而且在增材基板受热变形时也能连续测温,能够实现随行动态测温以及温度场实时显示、存储和重构分析等功能,显示形象直观,系统稳定性较强,操作简单。