改善金属增材制造材料组织与力学性能的方法与技术

金属增材制造技术在航空航天、船舶工业、汽车制造、生物医疗等行业得到快速发展。然而增材制造过程中存在的几个问题减缓了该技术的广泛应用。其中,增材制造材料内部的特殊组织使其存在明显的各向异性,增材制造构件内较大的残余应力导致材料的变形和开裂以及材料内部容易产生裂纹和孔洞。主要介绍几种改善金属增材制造材料内部组织和性能的方法和技术,包括工艺参数的优化、后处理技术、颗粒引入、超声干扰技术、超声冲击技术、滚压轧制技术和超声微锻造技术。     

电弧熔丝增材及局部塑性变形复合制造技术研究进展

电弧熔丝增材制造是一种适用于大型金属构件快速成形的技术,具有设备成本低、材料利用率高、沉积效率高、自动化水平高和灵活方便等优点,也存在组织性能不良等缺陷。塑性变形是一种改善电弧熔丝增材制造气孔缺陷、组织性能不均匀和残余应力分布的有效方法。由电弧熔丝增材与局部塑性变形结合的复合制造工艺利于实现零件的“控性”,但其复杂的路径规划、复合工具头、振动和压力等增加了形状精度控制难度。总结了层间冷轧、在线热轧、机械冲击、超声冲击、激光冲击等局部塑性变形工艺对电弧熔丝增材制造试件微观组织、残余应力、各向异性和表面质量的影响,分析了复合制造工艺的困境和问题。结合塑性变形对焊接组织的强化规律和电弧增材在线控制,从电弧熔丝增材及局部塑性变形复合制造的“形性双控”的角度展望了未来发展趋势,为电弧增材制备复杂件提供参考。     

激光增材制造低合金超高强度钢的组织与力学性能研究进展

激光增材制造技术可以实现超高强度钢大型复杂关键重载构件的高性能精确成形,同时还可用于损伤零件的快速修复,在航空航天等领域的应用日益广泛.介绍了激光增材制造低合金超高强度钢的成形特性,评述了激光增材制造过程中热累积对低合金超高强度钢显微组织的影响规律,探讨了显微组织和热处理对激光增材制造低合金超高强度钢力学性能的作用机理...     

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。     

增材制造γ–TiAl合金超声喷丸表面完整性数值及试验分析

为探究超声喷丸对增材制造γ–TiAl合金表面完整性的影响特性,验证有限元数值模型的可行性,以电子束熔化制备的γ–TiAl合金试样为研究对象,建立超声喷丸三维有限元模型,对不同喷丸参数下试样表面粗糙度及应力场分布进行仿真分析。采用不同喷丸参数对试样表面进行0.15 A、0.25 A两种喷丸强度的超声喷丸试验,揭示喷丸工艺对电子束熔化γ–TiAl合金微观形貌、残余应力分布、表面粗糙度及显微硬度等表面完整性的影响规律,验证仿真模型的有效性。结果表明,超声喷丸处理后,试样表层晶粒尺寸得到细化,产生了由表层至深层的晶粒尺寸梯度变化,形成了约150～250μm深的残余压应力层;此外,相同弹丸直径下,提高喷丸强度可显著增加试样表面粗糙度均值的分布,相同喷丸强度下,增加弹丸直径可有效降低试样表面粗糙度;超声喷丸试样表面显微硬度相对未喷丸试样表面（305HV）提高显著,最大显微硬度均出现在距离表层最近的测量点位置,其影响层深度可达300～500μm。     

超高温氧化物陶瓷激光增材制造及凝固缺陷控制研究进展

超高温氧化物陶瓷具有优异的高温强度、高温结构稳定性、抗氧化和耐腐蚀性能,有望成为极端高温氧化环境下长期服役的新型高温结构材料,在航空航天领域具有广阔的应用前景。以激光选区熔化和激光近净成形为代表的激光增材制造技术具有高效快速、柔性制造、近净成形等特点,近些年来逐渐应用于超高温氧化物陶瓷的制备并成为该领域的研究热点。本文概述了激光选区熔化技术和激光近净成形技术的原理和特点,从工艺优化、高温预热、超声振动辅助和掺杂4个方面详细阐述了激光增材制造超高温氧化物陶瓷凝固缺陷控制的研究进展,并在文末展望了本领域未来的发展趋势和研究重点。     

航空航天用增材制造金属结构件的无损检测研究进展

增材制造技术成形工艺的特殊性给无损检测带来了新的挑战,存在各向异性和检测盲区大等问题。为此,国内外研究者开展了增材制造金属结构件的无损检测方法研究。简要概述增材制造技术在航空航天领域的应用情况,同时结合无损检测各方法应用特点,介绍针对增材制造金属结构件的超声、射线、工业CT和荧光渗透等多种无损检测方法的应用和研究现状,分析总结了相关无损检测标准,并指出了增材制造金属结构件无损检测未来的发展方向,即高精度无损检测技术、原位监测方法和标准化体系的构建。     

复杂高筋薄壁构件旋压-增材复合制造技术发展与展望

复杂高筋薄壁构件在航天飞行器中被广泛应用，整体制造是实现这类构件轻量化的重要途径，也是当前制造领域最具有挑战的工程难题之一，其中旋压-增材复合制造代表了复杂高筋薄壁构件整体制造的前沿。近几年，本文作者研究团队在复杂航天薄壁筒段旋压-增材复合制造方向上开展了较为系统的研究工作。从内筋薄壁筒段旋压成形和等材-增材复合制造两个角度对国内外学者研究工作进行总结；同时，从内筋铝合金筒段旋压断裂机制与组织演变规律、筒壁内增材热力学行为与组织调控、旋压-增材复合制造工艺等方面介绍了当前初步研究成果，并对旋压-增材复合制造技术的发展进行了展望。比较全面地梳理了复杂高筋薄壁筒段复合制造技术现状和发展趋势，为复杂薄壁构件整体制造技术研究提供指导。     

增材制造金属点阵结构性能研究进展

点阵结构是一种三维规则排列的多孔结构,具有高比强度、高比刚度及优异的散热性能,是结构功能一体化设计的主要载体。由于点阵结构零件的结构复杂,传统加工方法无法直接制备。增材制造技术是一种通过分层制造方式构建三维实体零件的新型制造技术,在复杂结构制造方面具有独特优势。通过增材制造点阵结构零件可以极大地降低制件重量,提高综合力学性能,在航空航天、能源、车辆工程等领域展现出巨大的技术优势。本文对增材制造金属点阵结构、极小曲面结构、拓扑优化结构等复杂零件结构相关研究进行了总结与归纳,从力学性能、轻量化、能量吸收、散热吸声等应用方向进行了综述,最后总结并展望了金属增材制造点阵结构的优势与发展方向。     

高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题

简要介绍了高性能大型金属构件激光增材制造的技术特点、国内外研究进展及技术发展面临的挑战,分析了大型金属构件激光增材制造的"高性能材料制备"与"复杂结构直接制造"有机融合、"控形/控性"一体化的独特特征。指出高性能大型关键金属构件激光增材制造技术的发展和工程应用,将在很大程度上取决于人们对激光增材制造过程中对激光/金属交互作用行为及能量吸收利用机制、内部冶金缺陷形成机制及力学行为、移动熔池约束快速凝固行为及构件晶粒形态演化规律、非稳态循环固态相变行为及显微组织形成规律、内应力演化规律及构件变形开裂预防方法等材料基础问题的深入研究。     

A100钢外螺纹椭圆超声滚压强化试验研究

A100钢有较高的疲劳抗力和显著的减重效果.在航空工业中,飞机起落架主要承力件正逐步采用A100钢,且主要承力件多采用螺纹联接.为了提高螺纹疲劳寿命,提出了超声振动滚压强化工艺方法,设计了外螺纹超声滚压强化装置,进行了螺纹超声滚压强化前后性能对比试验.利用X射线分析仪、维式硬度计、粗糙度仪和疲劳试验机,分别测量了螺纹超声滚压强化前后的残余应力、维氏硬度、表面粗糙度以及疲劳寿命.结果表明,超声滚压强化后牙底残余应力提高了70％,显微硬度提高了14％,粗糙度降低了51％,600MPa应力条件下寿命提高了5倍.     

激光增材制造高强高韧TC11钛合金力学性能及航空主承力结构应用分析

随着损伤容限设计理念发展和轻量化要求提高,高强高韧钛合金逐渐成为航空装备关键主承力构件主要结构材料。激光增材制造制备钛合金大型主承力构件具有数字化、短周期、低成本等技术优势,特别是激光增材制造过程超常固态相变动力学条件为制备高强高韧钛合金提供了新的机会。本文根据航空主承力结构选材性能要求,对激光增材制造TC11钛合金静强度、疲劳和损伤容限特性进行测试与分析,在此基础上对其在航空主承力结构的应用前景进行分析。结果表明,激光增材制造TC11钛合金力学性能具有显著的高强高韧和低屈强比特征,其疲劳缺口敏感性和裂纹扩展速率低,性能分散性小,综合性能满足航空主承力结构选材要求。与目前航空主承力结构广泛应用的TC4-DT损伤容限型钛合金相比,激光增材制造TC11高强高韧钛合金损伤容限特性相当、疲劳性能有所改善、许用应力提高23%,结构具有进一步减重优势。激光增材制造TC11钛合金优异的强韧性匹配在提高结构许用应力的同时可避免大厚度结构发生脆性断裂,其低疲劳缺口敏感性和优异的疲劳裂纹扩展特性对于结构服役安全具有重要意义。     

增材制造600℃高温钛合金研究进展

先进航空发动机高压压气机550～600℃环境使用的关键/重要件对600℃高温钛合金提出迫切需求。但是,难成形的复杂构件以及梯度/复合结构与功能一体化构件等的制造,采用传统铸造、锻造等工艺技术难以满足需求和研发要求。增材制造是先进制造技术的典型代表,拥有材料设计-制造一体化、复杂设计-定制一体化等独特优势,为600℃高温钛合金新材料/新技术研发提供了新的途径。目前国内外已开始关注通过增材制造的方式制备600℃高温钛合金,重点研究材料-工艺-组织-性能的关系。本文首先简要回顾600℃高温钛合金研究,其次重点介绍不同增材制造工艺下600℃高温钛合金沉积态和后处理态的微观组织特点;在综合性能研究方面,列举并分析拉伸性能、蠕变性能、热疲劳性能和抗氧化性能等关键性能;在复杂设计/复合结构章节,论述以600℃高温钛合金为基体的复合材料和梯度结构增材制造的研究进展。最后,对增材制造600℃高温钛合金材料开发、复合工艺探索、缺陷控制和性能评价标准建立等研究方向进行展望。     

喷丸对激光辅助成形铝合金样件拉-拉疲劳性能的影响

为了研究激光辅助成形样件的疲劳性能及喷丸处理的作用规律,以2024铝合金板材为对象,对原始、激光辅助成形以及激光辅助成形后再喷丸等样件的微观组织、显微硬度、残余应力和拉-拉疲劳性能进行了对比分析研究.结果表明:激光辅助成形后,样件的组织和微结构未发现明显变化,但其硬度和残余拉应力水平有所下降;喷丸处理的激光辅助成形样件...     

不锈钢增材制造件后处理工艺研究进展

由于金属材料增材制造技术的逐层成形过程特点，增材制造件存在着一些难以避免的问题，如表面粗糙、残余应力较高及由于粉末熔融不完全引起的亚表面微裂纹及气孔等，无法直接进行装配应用。综述结合了近年来国内外不锈钢增材制造件后处理工艺的研究成果及不锈钢增材制造件的缺陷类型，分析了不同增材制造工艺的区别及用途，以及目前国内外对增材制造件工艺参数的优化进展，热处理、机械加工等后处理工艺的国内外研究现状，总结了不锈钢增材制造件后处理工艺的关键问题，探讨了不锈钢增材制造件后处理工艺发展趋势。     

沉积态增材制造过程中的沉积路径影响研究

为了揭示沉积态增材制造(AM)过程中沉积路径的影响,采用有限元(FEM)法研究了6种典型的沉积路径下的瞬态温度、瞬态应力、残余应力和残余变形。研究结果表明,在成形过程中,沉积路径对热传导和瞬态温度分布有显著影响,从而在冷却至室温后引起不同的残余应力和残余变形。之字形沉积产生的残余应力和残余变形最大,隔行沉积产生的残余应力和残余变形最小,可认为是最优方案。本文结论可为沉积态增材制造工艺沉积路径方案的制订提供重要参考依据。     

喷丸强化对表面完整性影响的研究现状与发展

综述了喷丸强化技术对材料表层残余应力分布、显微组织结构、表面粗糙度和表层硬度分布等表面完整性因素影响的研究进展,阐述了不同喷丸强化技术与材料表面完整性因素间的关系以及基于表面完整性调控的喷丸强化技术的发展趋势.     

激光增材制造毛坯与传统锻件铸件差异性分析

通过收集和整理国内外技术标准,对比分析了激光增材制造毛坯与传统锻造和铸造毛坯在成形工艺、显微组织、缺陷及其形成原因、内部质量以及力学性能等方面的差异。结果表明,激光增材制造较传统工艺整体制造周期短、材料利用率高;激光增材制造毛坯气孔能达到A1级别,稍低于锻造的AA级别,气孔级别能达到铸件的B级;激光增材制造钛合金纵横向屈服强度和拉伸强度分别比锻造和铸造低3.4%和0.78%。     

激光增材制造钛合金构件的化学抛光工艺研究

采用HNO3-HF抛光液对激光选区熔化钛合金制件进行化学抛光,以试样表面粗糙度、减薄及失重变化为指标探究了抛光过程中不同温度和时间对钛合金增材制件抛光效果的影响。通过电化学测量、拉伸试验、残余应力测试等方法对比分析了化学抛光前后钛合金试样的电化学和力学性能。结果表明在温度30℃、反应时间10min下抛光钛合金可以取得较理想的抛光效果,试样表面粗糙度减小、耐腐蚀性能提高。化学抛光后钛合金的强度出现小幅下降,内部原有的残余应力由拉应力转变为压应力。     

增材制造工艺及热处理对Ti-6Al-4V合金组织和性能的影响

Ti-6Al-4V(TC4)钛合金是一种使用较为广泛的α+β型两相钛合金,然而,由于增材制造钛合金存在微观缺陷,导致其机械性能低于锻造水平,通常需要进行后处理。本文综述增材制造过程中常见的工艺参数如能量输入功率、扫描策略等以及其他工艺参数如保护气种类、基板厚度、粉末粒度等因素对钛合金微观结构和综合性能的影响,并综合分析增材制造常见的后热处理方式对微观结构与力学性能影响,归纳了新型后热处理方式,如真空热处理、循环热处理等以及多种后处理与热处理综合使用的效果。对增材制造工艺参数的合理选择以及后热处理方式的应用是获得性能优良的钛合金构件的基础,将多种热处理方式综合使用,或将其他后处理方式与热处理综合使用是进一步提升增材制造钛合金构件性能的有效途径,建立一个增材制造工艺参数和后处理工艺统一选择标准则是增材制造领域未来发展的关键。