陶瓷浆料光固化快速成形特性研究及其工程应用

本课题从水基陶瓷浆料单条固化线和单层固化成型的角度出发,研究光固化成型机工艺参数(如激光功率、激光扫描速度)对单条固化线轮廓(单条固化线宽、固化厚度等)的影响以及单层固化过程中扫描间距和扫描速度对单层固化厚度的影响,为选择合适工艺参数,进而改善陶瓷件的成形精度提供参考。     

激光快速成形镍基高温合金研究

在单道熔覆及薄壁墙试样制备的基础上 ,大致确定出Rene′95激光快速成形时的工艺参数和每层沉积高度 ,根据此高度对零件的CAD模型进行分层切片处理 ,生成二维平面信息 ,经过数据后处理并加入加工参数 ,生成数控信息输入成形系统 ,控制成形系统的沉积过程顺序完成各层的成形制造 ,直至加工出与CAD模型相一致的具有复杂外形的致密的金属零件。成形所用激光功率 16 0 0W ,扫描速度 3mm/s ,送粉速率 6 2g/min ,载气流量 0 3m3 /h ,所制零件总高 112mm(共沉积 380层 ) ,壁厚约 3mm ,每层沉积高度为 0 3mm ,零件具有良好的外形和尺寸精度。结果表明 :激光快速成形Rene′95镍基合金组织致密 ,成分均匀 ,沿成型高度方向具有定向凝固组织特征 ,具有较高的力学性能 但由于成型时存在很高的残余应力 ,容易导致开裂 ,通过基板预热可减缓应力。     

覆膜陶瓷粉末的选择性激光烧结工艺研究及参数优化

研究了选择性激光烧结成形制造过程中激光功率密度、扫描速度、预热温度和激光束扫描间距对烧结成形件致密度的影响,通过正交试验及方差分析,判定了各工艺参数的显著性及其重要性顺序,并给出覆膜陶瓷粉末烧结的最佳工艺参数。     

钛合金板材激光弯曲成形的研究

 对常温下钛合金板材进行了激光弯曲成形研究。分析了激光功率、扫描速度、光斑大小对板材弯曲变形的影响,获得理想工艺参数范围为:功率1 .0～1 .2 k W、扫描速度2～3 m/min、光斑直径6～7mm。同时分析了板材厚度、宽度及扫描次数对材料弯曲变形的影响,为钛合金板材弯曲成形提供了一种新途径。     

激光功率与底面状态对选区激光熔化球化的影响

为研究激光功率与底面状态对选区激光熔化熔池流动的影响，基于离散单元法建立了选区激光熔化铺粉模型，采用粒径分布与实验相符的马氏体时效钢粉末分别铺展到平坦底面和增材底面上，将计算获得的粉末分布导入到基于有限体积法建立的选区激光熔化熔池计算流体力学模型中，研究激光功率和基板底面粗糙度对熔池流动和熔道表面形貌的影响。采用激光单道扫描实验验证铺粉模型和选区激光熔化模型。结果表明：随着激光功率的降低，单位长度的球化数量增加；由于增材底面使熔池润湿性变差，同时又对熔池流动行为产生扰动，使得增材粗糙底面上熔道的球化数量增加。选区激光熔化铺粉模拟及激光单道扫描模拟结果与实验结果吻合较好。本研究可为选区激光熔化工艺中工艺参数的选择提供理论指导。     

稀土改性高强铝微桁架激光增材制造工艺调控

微桁架夹芯板点阵轻量化结构在航空航天领域有重要应用,选区激光熔化（SLM）增材制造技术可克服传统工艺局限性,高质量一体化成形复杂点阵结构。以稀土Sc改性高强Al-Mg合金为对象,采用SLM工艺对其进行工艺优化试验,并基于优化结果对微桁架夹芯板开展一体化成形工艺调控研究。研究结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金表面质量、冶金缺陷等随激光参数发生显著变化,在激光功率400 W、扫描速度800 mm/s的条件下获得较高表面质量（粗糙度为13.2 μm）及致密度（相对密度为99.5%）。当扫描速度较低时试件熔池底部形成一次Al₃Sc析出相,而当扫描速度过高时因凝固速度过快析出相减少,导致试件显微硬度降低。在优化工艺区间内,随激光扫描速度增加SLM成形Al-Mg-Sc-Zr微桁架夹芯板粘粉比例下降,构件质量随之减轻;水平方向构件尺寸精度、桁架微杆成形精度均随扫描速度增加而增加。     

钛合金激光焊接研究

试验研究了2.5 mm厚BT20钛合金激光穿透焊的激光功率-焊接速度匹配曲线,并以焊缝熔宽比为参量研究了主要工艺参数对焊缝成形的影响,同时对比研究了CO2激光和YAG激光穿透焊焊缝成形的差异.结果表明,随激光功率的提高,获得成形优良的全熔透焊缝的焊接速度范围扩大,焊接线能量降低.与CO2激光焊相比,YAG激光焊具有更宽的焊接速度范围,且可以采用更高的焊接速度和更低的焊接线能量.激光功率、焊接速度和离焦量等工艺参数对焊缝熔宽比具有重要的影响.在同样的焊接规范条件下,YAG激光焊缝具有比CO2激光焊缝更大的熔宽比.     

考虑相变诱导塑性下40Cr激光淬火工艺参数显著性分析

定量化揭示激光淬火过程多场耦合瞬时演变规律,进而实现40Cr激光淬火工艺参数显著性分析。基于相图计算法（CALPHAD）计算温变物性参数,建立40Cr齿轮钢激光淬火数值模型,对瞬态温度、相变以及应力分布进行数值计算,揭示相变行为与塑性应力之间的耦合作用机理。通过Axio Vert.A1显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、超景深3D显微镜和显微硬度仪进行分析。基于正交试验,分析了激光半径、激光功率、扫描速度对淬火质量的显著性影响。结果表明：影响最高温度和相变深度的显著工艺参数依次为光斑直径、扫描速度、激光功率;残余应力成“驼峰”分布,影响残余拉应力的显著工艺参数依次为光斑直径、激光功率、扫描速度。该研究为有效控制淬火残余应力,优化工艺参数提供重要理论依据。     

激光选区熔化成型316L不锈钢工艺参数研究

针对激光选区熔化成型316L不锈钢工艺参数选择问题,采用单因素条件变量分析法,在激光选区熔化过程中,分析了激光功率、扫描速度对316L不锈钢成型零件表面粗糙度、致密度、硬度和尺寸偏差的影响规律。结果表明:当激光功率降低或者扫描速度提高时,内部能量密度减小,粉末熔化量减少,试样表面球化效应增强,孔隙缺陷增多,试样致密度减小、硬度降低;当激光功率提高或者扫描速度降低时,内部能量密度增大,粉末被过度烧蚀,产生较大的尺寸偏差,所形成熔道易塌陷,导致层间结合较差,试样性能降低。当激光功率为300 W、扫描速度为1000 mm/s时,能量密度适中,形成了较好的冶金结合,抗拉强度可达753 MPa,上表面硬度HRB能达到97.22。该项研究为316L不锈钢激光选区熔化工艺参数的合理选择提供了参考。     

陶瓷粉末的选择性激光烧结实验研究

对陶瓷粉末的选择性激光烧结进行了实验研究。得出了烧结深度和宽度随激光功率和扫描速度的变化规律,并获得了选择性激光烧结成形的陶瓷零件。     

选区激光熔化成型悬垂结构特征模拟分析

针对选区激光熔化成型悬垂结构过程进行温度场与应力场模拟。利用有限元分析软件建立三维瞬态选区激光熔化成型悬垂结构的过程模型,分析加工过程温度场应力场分布情况及变化趋势。针对不同激光功率与扫描速度对悬垂结构成型质量的影响进行仿真分析与实验验证。分析结果表明,在选区激光熔化成型悬垂结构过程中,在激光扫描悬垂位置时熔池温度值明显高于激光扫描打印件中心位置时的熔池温度,成型件与基板接触的边角位置具有最大的残余应力,悬垂结构位置出现明显变形,在激光功率与扫描速度比值不变情况下,激光功率越大,悬垂结构位置变形越大。     

一种提高表面完整性的气膜孔成形方法

为了解决目前航空发动机涡轮叶片气膜孔成形工艺存在热影响严重等问题,提出了采用超快激光环切与螺旋扫描的加工方法,设计了一种可实现高效、无热效应气膜孔加工的双激光光源微加工系统,并从作用机理和实际加工过程两方面分析了热效应的产生原因,指出了其中的主要影响因素,然后针对这些因素选用DD6材料进行了工艺参数优化和实验验证.实验结果表明:采用500fs激光与微秒长脉冲激光复合加工的方式可以使精细钻孔的效率提升约10倍,并得到基本无重铸层和微裂纹的涡轮叶片气膜孔;其工艺参数包括扫描速度为2400r/min,重叠率为12%,进给量为5μm,重复频率为20kHz以及0.6Pa同轴吹气.表明超快激光配合合理的工艺参数和加工方式可以实现无热效应气膜孔加工,是一种有效提高气膜孔成形表面完整性的工艺方法.      

陀螺电机转子动平衡激光精密去重技术

陀螺电机转子动平衡采用的人工打孔去重存在效率低、去重精度低、金属碎屑残留等问题，严重制约了陀螺的生产效率和精度。而激光去重具有去重精度高、无接触、效率高等优点，在精密去重领域应用前景广泛。采用脉冲光纤激光器对陀螺电机转子动平衡进行了激光精密去重技术研究，探讨了激光频率、振镜扫描速度等参数对去重效果的影响规律，优化了激光去重工艺参数。当激光功率为30W、振镜扫描速度为1000mm/s时，去重盲孔效果最好。针对激光去重盲孔存在残留物问题，提出了激光二次抛光去除残留物的方法，研究了激光功率、振镜扫描速度对残留物去除效果影响规律，优化了激光抛光工艺参数。激光去重盲孔经二次扫描抛光后，盲孔表面残留物去除干净，满足陀螺电机转子的精密去重要求。     

TC4激光选区熔化/同轴送粉成形连接的力学性能研究

对TC4选区熔化/同轴送粉成形连接件的拉伸性能和疲劳性能进行研究。通过对比不同线能量密度参数下拉伸试验数据,得到线能量密度对TC4成形连接件拉伸性能的影响规律。通过对比相同应力水平下成形连接件与母材的中值疲劳寿命和疲劳极限,获得成形连接件相对母材疲劳特性的衰减程度。采用当量Kt法对成形连接件的疲劳性能进行表征,得到成形连接件的当量应力集中系数Kte。通过对比TC4成形连接件与TA154种焊接工艺的(Kte)50,发现较焊接工艺成形连接工艺,具有更优的疲劳特性。     

点阵结构压气机叶轮3D打印过程设计及打印性能分析

基于八角桁架点阵结构,提出了一种新的涡轮压气机叶轮轻量化设计方法。在保证点阵轮具有可加工性的同时为了提高打印成功率,基于有限单元法对点阵轮不同激光功率、激光走速、激光宽度、铺粉层厚和支撑切割高度下的增材制造过程进行模拟,分析了不同打印参数下点阵轮打印过程的最大残余变形及最大残余应力。结果表明,激光打印参数(如激光功率、激光走速和激光宽度)对叶轮残余变形和残余应力幅值有较大影响,而铺粉层厚对残余变形和残余应力幅值的影响相对较小,通过降低激光功率、提高激光速度和增加激光宽度,可以降低叶轮的残余应力。对于填充率为11.4%的晶格单元,点阵轮相对于原始轮质量可降低23.5%。加工完成后点阵轮的残余变形和残余应力均小于原始轮,本文工况下,点阵轮加工完成后的最大残余应力和变形可分别比设计轮最多降低8.72%和20.19%。这意味着采用点阵轮的设计方式在降低叶轮质量的同时,还将具有更接近于原始设计且更不容易在加工中损坏的优良加工性。     

工艺参数对2A97T3铝锂合金光纤激光焊接焊缝成形的影响

通过系统的工艺试验研究了1.2mm的2A97T3铝锂合金光纤激光焊接工艺参数对焊缝成形的影响。结果表明:增大焊接热输入会使焊缝熔宽及背宽比增加,其中背面熔宽变化显著,而正面熔宽变化幅度较小;焊接热输入过大时,会出现因焊缝下塌而导致熔宽减小的现象。随着焊接速度和激光功率的增大,形成深熔焊缝的参数范围会越来越窄。在线能量相同的情况下,高速焊所获得的焊缝成形较好,热导焊焊缝硬度明显高于深熔焊焊缝的硬度。