增材制造钛铝合金研究进展

钛铝合金具有轻质、高强、耐高温等优异特性,在航空领域,特别是在航空发动机涡轮叶片上具有重要应用价值。然而,钛铝合金的室温脆性大、热变形能力低,使得采用传统的锻造、精密铸造、粉末冶金等技术均难以制造具有复杂形状,特别是具有内部空腔结构的钛铝合金叶片,限制了其性能的进一步提升。增材制造技术能够突破形状的制约,有望发展成为制造钛铝合金复杂结构零部件的新技术。目前,应用于钛铝合金的增材制造技术主要有电子束选区熔化、选区激光熔化和激光金属沉积。本文调研了增材制造钛铝合金领域2010~2020年的文献,对上述3类增材制造技术的原理和特性、所使用合金粉末的特性、打印构件的相组成、组织形貌和热处理工艺、宏观和微观力学性能及其在航空领域的应用等研究进行了对比分析和评述,并对增材制造钛铝合金发展中所存在的问题及下一步研发重点进行了总结和探讨。     

航天科技创新与3DITEP技术（下）

三、创新技术产品应用 航天科技需要创新,需要3D打印技术的助推。航天器上使用的高性能金属构件激光成形技术是以合金粉末为原料,通过激光熔化逐层沉淀,从零件数模一步直接制造出“近终形”高性能大型构件的技术。这一技术由美国于1992年首先提出并迅速发展。由于高性能金属构件激光成形技术对大型钛合金高性能结构件的短周期、     

激光选区熔化成形TC4钛合金激光焊接头组织与力学性能

对3mm厚激光选区熔化成形(SLM)TC4钛合金对接接头进行了激光焊接工艺试验,研究了80J/mm和100J/mm两种能量输入对接头焊缝成形、微观组织及接头力学性能的影响.结果表明,在两种不同焊接能量输入条件下,激光焊接SLM成形TC4钛合金获得良好的焊缝成形,焊缝区的平均显微硬度分别为388.7HV及403.3HV,...     

焊丝超声振动对铝合金熔化极气体保护焊缝成形及气孔的影响

铝合金熔化极气体保护（GMA）焊接过程中引入超声能场可以有效降低焊缝气孔缺陷及改善焊缝成形。焊丝超声频振动引入超声能场,可以避免超声能量转化率低及焊炬复杂化等弊端,是一种可行的超声施加方式。然而,关于焊丝超声频振动对铝合金GMA焊缝成形及气孔行为的影响尚不清晰,对此进行了具体研究。结果表明：焊丝超声频振动后,焊道波动范围与表面粗糙度均减小,同时焊缝表面光亮程度也提高,当超声工具头振幅为26.3μm时,焊缝表面成形最佳,焊缝熔宽和熔深都有不同程度的增大;随着超声工具头振幅的提升,深宽比总体呈上升趋势,当超声工具头振幅为26.3μm时,深宽比提升幅度为9.72%,焊缝气孔缺陷明显得到改善;当超声工具头振幅为22.8、24.9、26.3μm时,焊缝气孔数量减少幅度分别为76.9%、65.7%、71.8%,同时气孔主要分布于焊缝上部。声学仿真结果表明,超声能量主要沿焊丝轴向传播,熔池下部声压幅值较大,这与焊缝熔深增加及焊缝下部气孔减少具有较好的对应关系。     

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。     

GH4169合金激光选区熔化成形工艺与缺陷特征的相关性

通过改变激光选区熔化成形工艺,即激光功率和扫描速度,制备多个GH4169试样。采用金相法观察显微组织及其内部缺陷的形貌与分布,采用X射线断层成像获得试样孔隙率,并统计分析缺陷三维特征,研究成形工艺与缺陷特征的相关性。结果表明：当能量输入密度为59.1 J/mm³的优化工艺时成形试样中互相搭接的熔道形貌齐整、随机分布的规则气孔尺寸小于30μm、致密度高达99.9998%。在较窄的工艺窗口下(220～300 W、700～1300 mm/s),试样致密度对扫描速度更为敏感,高扫描速度易形成分布在熔道搭接区内极不规则的未熔合。偏离优化工艺时,缺陷数量增多,部分缺陷尺寸大于30μm,其中高激光功率形成的气孔形状或高扫描速度形成的未熔合形状都与各自的尺寸密切相关,即尺寸越大,形状越不规则,产生的不利影响要远大于规则气孔。     

均匀化处理对激光选区熔化GH3536和GH4169合金组织和显微硬度的影响

GH3536和GH4169镍基高温合金常用来制造航空发动机等热端部件。采用激光选区熔化（selective laser melting,SLM）最优工艺参数制备GH3536和GH4169合金试样,研究不同均匀化温度和保温时间对两种合金组织演变、平均晶粒尺寸和性能的影响,利用OM、SEM、EDS等方法表征其缺陷特征和微观组织,利用维氏硬度仪测试合金的显微硬度。结果表明：成形态GH3536合金中存在更多缺陷,包括气孔、裂纹和未熔合;成形态GH4169合金中只存在气孔。均匀化处理使合金熔池消失,使晶粒长大成为等轴晶。GH3536合金晶界和晶内有M23C6析出,GH4169合金晶界和晶内有NbC析出,随着均匀化温度升高,析出物明显减少。GH3536合金的平均晶粒尺寸从1130℃,1 h的48.5μm增大到1250℃,4 h的100.9μm,增大了106.8%;GH4169的平均晶粒尺寸从1080℃,1 h时的57μm增大到1200℃,4 h时的87.4μm,增加了53.3%。GH3536合金经过均匀化处理后显微硬度下降明显,由原来262HV下降到180～190HV;与之相反,GH4169合金经...     

电子束选区熔化过程中吹粉机理及因素分析综述

电子束选区熔化（SEBM）过程中,粉末颗粒在电子束作用下带负电引起库仑相互作用,易造成粉末散射,发生吹粉现象。此现象会导致电子枪放电、束流不稳定、粉末不均匀铺展等问题,继而造成工艺不稳定而加工停止。为扩大SEBM工艺适用范围,以电子束与粉末相互作用为基础,从粉末特性和工艺参数两方面分析了吹粉的形成机理及影响因素,根据降低粉末间静电力的方式总结了预防吹粉的措施,最后阐述了吹粉问题在SEBM基础研究方面的发展方向,以期为SEBM长期工作稳定性、可靠性的提高及质量提升提供参考。     

热处理对激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金组织及性能影响

针对激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金强度提升以及与塑性合理匹配等问题,采用致密度最优工艺优化策略,获取了激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr最佳参数,并进行了时效与固溶热处理,研究了其对微观组织和力学性能的影响。结果表明：Al-Mg-Sc-Zr在激光功率为360～370 W、扫描速度为800～1000 mm/s、扫描间距为100μm及铺粉层厚为30μm时,致密度和组织缺陷最佳;时效或固溶热处理后,材料组织呈现交替分布细晶区和粗晶区,发生析出相增加强化,屈服与抗拉强度较沉积态得到提升;时效热处理相较固溶热处理,材料晶粒无明显长大,325℃/4 h时效热处理综合力学性能最佳,屈服强度为548 MPa、延伸率为11%;改变Al-Mg-Sc-Zr激光选区熔化成形材料热处理制度,可对其合金晶粒尺寸、析出相尺寸和密度进行控制,实现强度与塑性的合理匹配。