激光增材制造技术的研究现状及发展趋势

增材制造技术能够快速将复杂结构的三维数据模型直接转化为实体零部件,是一种快速发展的数字化制造技术.激光增材制造技术是增材制造技术中最具代表性的一类,在增材制造技术领域扮演着重要的角色.主要介绍了两种典型的激光增材制造技术:激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术和激光金属直接成形(Laser Metal Direct Forming,LMDF)技术的原理与特点,归纳了其发展和研究现状,指出了激光增材制造技术的发展趋势.     

激光选区熔化成形TC4钛合金的电子束焊接气孔缺陷控制研究

激光选区熔化(SLM)增材制造技术常用于格栅、腔体结构、燃烧室组件等航空、航天、兵器领域复杂小型零件的制造.为了适应大尺寸零部件的制造,较为理想的方案是采用分段增材成形+拼焊连接的方案,针对SLM成形TC4钛合金进行了电子束焊接工艺验证研究,分析了SLM成形材料焊接气孔缺陷及其产生原因,探讨了不同焊接工艺对气孔缺陷的改...     

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。     

铝合金增材制造的发展现状与展望北大核心CSCD

铝合金增材制造凭借着材料自身的轻量化优势以及增材制造工艺在材料利用率和复杂结构制造方面的特点,在航天领域结构件的制造方面受到了广泛关注。本文针对铝合金增材制造在航天领域的应用,通过电弧熔丝、激光选区熔化以及激光送粉三个代表性工艺分析铝合金增材制造技术的研究现状及现存问题,并简要阐述了目前铝合金增材制造技术在航天领域的应用现状和未来的发展方向。     

激光选区熔化技术在航空航天领域的发展现状及典型应用

增材制造技术(AM)是一种基于离散-堆积原理,以计算机模型数据来加工组件的新型制造技术。激光选区熔化(SLM)作为增材制造领域的一项重要技术,以其一体化制造特点和在复杂结构零部件制造领域的显著优势,成为航空航天制造领域的重点发展技术和前沿方向。本文综述了SLM技术的材料体系和应用领域,主要对SLM技术的最新工艺研究和航空航天领域的典型应用进行细致分析。重点阐述SLM铁基合金、镍基合金、钛合金和铝合金等材料体系的研究进展及成果。SLM技术在各领域广泛应用的同时,也存在成形材料内部缺陷多、高性能材料的裂纹及变形、标准体系的欠缺和粉末材料兼容性低等诸多问题和不足之处,使其发展受到一定制约,需要在这些方面做更深入的工作。     

激光增材制造技术在涡轮叶片中的应用

基于激光增材制造技术可快速、精确地制造出任意复杂形状零件的特点,以带复杂冷却内腔结构的航空发动机涡轮叶片为研究对象,对激光增材制造技术在涡轮叶片制备过程中的工程应用特点和难点进行了研究,并提出相应解决措施。研究结果显示,激光增材制造技术在降低零件制造成本和减少零件交货周期方面具有显著优势,但在材料力学性能、表面粗糙度、位置及型面公差、气膜孔收缩率及机械加工定位点等方面依然存在挑战。     

选区激光熔化制备的高熵合金研究进展

作为打破传统单一主元合金设计理念的21世纪新兴的合金材料,高熵合金以其独特的晶体结构特征及性能特点成为材料学术界研究的热点材料之一.而选区激光熔化技术作为增材制造领域能够制造接近全密度的功能部件,具有可行的经济效益并得到了广泛开发和应用,在挖掘新型合金的性能及应用潜力方面有着得天独厚的优势.因此,近两年来利用选区激光熔...     

航空装备激光增材制造技术发展及路线图

激光增材制造支持结构设计创新、快速研制和验证，是当前航空装备领域最具代表性的增材制造方法，其中激光选区熔化主要应用于复杂精密功能结构的精确近净成形制造，激光直接沉积主要用于大尺寸复杂承载结构的制造。为支撑航空领域增材制造技术发展的战略布局，本文对激光增材制造现状和发展趋势进行梳理，指出增材制造发展重点必然会转向产品的冶金质量、力学性能及其稳定性控制方面，增材制造设备的在线监测、参数自整定控制等智能化功能的研究开发正成为设备的研发热点，基于损伤失效分析、寿命预测研究的增材制件力学行为研究以及基于元件、特征结构的性能考核验证技术，开始引起工程应用部门的关注。在对技术发展趋势分析的基础上，提出2035年航空领域激光增材制造技术发展目标和相应的政策和环境支撑、保障需求，并给出2035年技术发展路线图建议。     

选区激光熔化TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

选区激光熔化增材制造(AM-SLM)技术广泛应用于钛合金结构部件制造.SLM钛合金材料疲劳性能具有明显各向异性.研究SLM钛合金在不同方向载荷下的疲劳裂纹扩展行为对于航空结构耐久性/损伤容限设计具有重要意义.基于此,本文设计了与打印方向呈0°、45°、75°和90°的4种不同取样角度及未处理和热处理的钛合金紧凑拉伸试验...     

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。     

TiAl合金粉床电子束选区熔化成形研究进展

粉床电子束选区熔化成形是增材制造脆性TiAl合金复杂构件的理想技术。从原料粉末、致密化、化学成分、微观组织、凝固及相变、后处理、力学性能、成形精度与表面粗糙度等几个方面综述了粉床电子束选区熔化成形TiAl合金的研究现状,对目前存在的问题及应对措施进行了评述,并对其未来研究方向进行了展望。     

选区熔化过程多尺度多物理场建模研究进展

选区熔化技术是一种基于粉末床的、能够精确成形复杂零件、调控微观组织和性能的金属增材制造技术,其成形过程的计算机模拟对于生产实践具有重要指导意义。综述了国内外的研究现状,首先介绍选区熔化技术的原理及其特点;然后介绍国内外对选区熔化过程已经开展的计算机模拟技术的研究进展;并进一步重点介绍针对电子束选区熔化过程的多尺度多物理场模型,主要包括:(1)微观尺度电子束与材料相互作用的能量吸收模型;(2)细观尺度从铺粉到粉末加热、熔化、流动、沉积成形全过程的模型;(3)宏观尺度零件成形过程模型。     

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。     

Experimental study of effect of post processing on fracture toughness and fatigue crack growth performance of selective laser melting Ti-6Al-4V

For Ti-6Al-4V, a titanium alloy increasingly used in aerospace structure, selective laser melting (SLM) is an attractive additive manufacturing technology, which is attributed to its complex construction capability with high accuracy and good surface quality. In order to obtain qualified mechanical properties, SLM parameters and post processing should be tailored for diverse service conditions. Fracture toughness and fatigue crack growth (FCG) behavior are critical characteristics for damage tolerance evaluation of such metallic structures, and they are affected by post processing technologies significantly. The objective of this study is to obtain the fracture toughness and fatigue crack growth behavior of Ti-6Al-4V manufactured by SLM, and to evaluate the influence of post-SLM thermomechanical treatment and surface machining. Fracture toughness and FCG tests were performed for SLM Ti-6Al-4V in three types of post processing status: as-built, heat treated and hot isostatically pressed (HIPed), respectively. Specimens with as-built and machined surface were tested. The microstructure and fractography were analyzed as well in order to investigate the relevance among manufacture process, microstructure and mechanical properties. The results demonstrate that as-built SLM Ti-6Al-4V presents poor ductility and FCG behavior due to martensitic microstructure and residual stresses. Both heat treatment and hot isostatic pressing improve the plane-stress fracture toughness and FCG performance considerably, while surface machining shows slight effect.     

TC18钛合金增材制造材料超声检测特征的试验研究

针对TC18激光、电子束增材制造钛合金及变形钛合金3种不同制造工艺的材料开展超声检测特征试验研究。结果表明,TC18钛合金增材制造材料不同成形方向的超声波声速、材料衰减及检测灵敏度均存在较大差异,与变形钛合金相比具有明显的方向性。本研究结果对于增材制造制件的超声检测方法研究具有重要参考价值。     

基于最小加工表面裂纹的TiAl合金铣削参数优化

TiAl合金以其优异的性能被广泛应用于航空、航天制造领域,但由于TiAl合金自身的物理、化学特性,导致其切削性能较差,加工过程中容易出现工件表面烧伤、表面微裂纹等问题。为了研究TiAl合金铣削加工过程中切削工艺参数对加工表面裂纹的影响规律,设计了TiAl合金切削参数与加工表面裂纹之间的正交试验。结果表明:切削速度对TiAl合金铣削表面裂纹的影响最大,其次是切削深度和切削宽度,每齿进给量对表面裂纹的影响最小。基于遗传算法,以表面裂纹长度为目标函数,优化得到的最优参数组合为:ae=0. 2 mm、ap=0. 2003 mm/z、fz=0. 02001 mm/z、vc=20. 0004 m/min。采用优化后的参数铣削TiAl合金,发现工件表面的实际加工裂纹长度和经过算法优化的裂纹长度相差较小,该优化方法可行性较高,误差较小。     

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。     

TiAl合金粉末射频等离子体球化过程数值模拟

采用数值模拟的方法对TiAl合金粉末的射频(radio frequency)等离子体球化过程进行研究,分析速度场和温度场对不同粒径TiAl合金粉末的运动轨迹及质量变化的影响。结果表明:粉体颗粒在等离子体的高温作用下温度急剧升高,表面蒸发导致粒径降低,太小的颗粒很快蒸发消失掉;在冷却塔下端,不同粒径颗粒的运动轨迹存在较大差异,小颗粒倾向于随气流进入气流出口,大颗粒落到冷却塔底部被收集;增大气流量会提高球化系统中的气流速度,导致在气流出口能被气流带走的颗粒粒径变大,收粉率降低;模拟得到TiAl合金粉末球化后的粉末粒径分布、平均粒径及收粉率等参数与实验结果比较接近,模型能够较好地符合实际球化过程。     

γ-TiAl金属间化合物合金激光表面合金化组织与摩擦学性能

分别利用预涂活性碳粉和 Ti C粉 2种方法对γ-Ti Al基合金 Ti-4 8Al-2 Cr-2 Nb进行激光表面合金化,制得了无裂纹、表面光滑、内部组织致密、厚度可达 1.6mm以上的、以硬质 Ti C树枝晶为增强相的快速凝固“原位”金属基耐磨复合材料表面改性层,分别采用 OM,SEM,EDS,XRD等方法分析了激光合金化耐磨表面改性层的显微组织,分别在销 -环滑动磨损、Si C纤维刷式高速滑动磨损及微动磨损条件下评价了激光表面改性层的摩擦学性能。结果表明 :采用上述 2种方法所获激光表面合金层组织均匀、与基体间结合为完全冶金结合,合金层硬度及在 3种磨损条件下的耐磨性均大幅度提高。激光表面合金化是提高γ-Ti Al合金摩擦性能的一种很有前途的表面改性方法