基于激光选区熔化的点阵结构设计、性能及应用研究进展

激光选区熔化技术（Selective laser melting,SLM）作为第三次工业革命的引擎技术,突破了传统加工技术的制造极限,为航空航天、医疗、汽车等领域高性能部件的结构设计和制造提供了可能。点阵结构因具有高比强度、高比刚度、低热膨胀系数和高比表面积等特性,已被广泛应用于各类学科领域。依托SLM技术,结合材料–结构–性能一体化的创新型制造模式,现阶段点阵结构已经成为多学科领域所提出的轻量化、高性能及多功能的设计及制造的有效解决方案。本文详细介绍了SLM技术制造点阵结构的种类、工艺协同性及设计优化方法;对点阵结构的力学性能和能量吸收能力进行了分析;阐述了几类典型功能点阵结构在航空航天、医疗及汽车等领域的应用,并就点阵结构在工程应用领域的未来发展做出了展望。     

拉胀泡沫材料力学性能

总结了拉胀泡沫材料的制备工艺,综述了近年来国内外对其力学性能的实验研究和理论描述,重点探讨了基于不同变形机制的理论模型在预测拉胀泡沫材料的弹性性能方面的优劣以及拉胀泡沫材料的优越性能,并在此基础上展望了其潜在的应用.     

航天高性能薄壁构件的材料-结构一体化设计综述

新一代航天器技术的快速发展对结构件超强承载、极端防热、超高精度和超轻量化提出了越来越苛刻的要求，如何设计并制造出高性能、轻量化、超精密的航天薄壁构件成为先进材料与结构设计制造领域普遍关注的难题。本文综述了近年来薄壁构件高性能设计与制造及其航天应用的主要成果，围绕材料-结构多尺度建模与性能表征、多材料多尺度结构设计与增材制造原理、增材制造材料性能与结构设计的交互作用机制等科学问题，就结构优化中的制造工艺约束建模，增材制造工艺参数对结构性能的影响，高性能构件材料-结构一体化设计方法及其在航天结构中的应用展开论述，并展望了未来典型航天薄壁构件材料-结构一体化设计和制造方法发展前景与应用，为未来相关研究工作和航空航天装备研发提供参考。     

增材制造超材料及其隐身功能调控的研究进展

超材料作为一种新型拓扑优化设计的结构材料,展现出特殊的物理性质,比如负泊松比、负折射率等,在波动控制和隐身方面有重要的潜在应用价值,因此受到国内外的广泛关注。增材制造技术,又称为3D打印技术,适合于制造复杂形状的结构,利用增材制造技术制造隐身超材料具有较高的几何自由度和尺寸精度,为超材料的广泛应用提供技术条件。本文基于超材料的基本概念,对隐身超材料结构设计、功能调控的研究进展进行详细介绍,进一步介绍增材制造隐身超材料的光固化法、熔融沉积法、激光选区烧结/熔化法等工艺方法,并讨论了增材制造超材料在制造过程中存在的阶梯效应、原材料黏附现象、热扩散现象、尺寸精度、粗糙度等问题。     

超材料结构增材制造技术及其应用研究进展

超材料结构因具有精确操控电磁波/声波的相位、传播模式等特性而在军事隐形及伪装、通讯、国防安全及医学成像等方面有着重要的科学研究价值和广泛的应用前景,它的研究是近年国际学术界和工程界研究的热点之一。总体来说,国内外超材料结构的研究极大地促使超材料结构器件向轻薄化、宽频带及高性能的实用化方向发展,但制造技术与电磁、声学、物理、材料等学科的交叉亟待加强,需要加速探索超材料结构研究向大规模制造跨越的实现途径,推动其快速向应用化方向发展。本文梳理了增材制造工艺在超材料结构制造中的应用现状,讨论了超材料结构功能器件方面的研究进展,并对今后超材料结构研究的发展趋势进行了探讨和展望。     

激光选区熔化成形镍钛基五模超材料力学响应研究

五模超材料（Pentamode metamaterials,PMs）具有解耦的相对密度和力学性能,在特种声学装备和生物植入物领域具有潜在应用价值。激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）技术具有成形复杂精细晶格超材料的能力,可实现定制刚度、单元尺寸和孔隙率。通过五模超材料结构优化设计,利用激光选区熔化成形镍钛形状记忆合金,实现了不同形态的五模超材料结构成形,并开展模拟和性能测试表征研究。微观形貌的观测结果显示,SLM成形的镍钛基五模超材料具有较好的制造保真度。有限元仿真预测结果发现应力集中于杆与杆的连接处。压缩力学试验结果显示,镍钛基五模超材料的强度随着相对密度的增大而增大。通过建立相对密度和相对模量与强度的数学模型,提出了不同相对密度五模超材料的力学性能预测方法。     

面向增材制造的拓扑优化技术发展现状与未来

增材制造技术通过材料逐层打印制备结构,为复杂构件制造提供了新的成形方式。拓扑优化因不依赖于初始构型的选择,可设计出传统理念难以获得的创新构型,已成为航空航天和高端装备领域高性能、轻量化结构设计的重要手段。拓扑优化与增材制造有机融合,充分发挥各自优势和潜力,在现代制造业中展现出广阔应用前景。回顾了近年来关于增材制造与拓扑优化技术融合研究的主要内容和应用成果,包括以材料结构一体化为核心的多尺度/多层级结构优化设计、以设计制造一体化为核心的考虑增材制造工艺约束的优化方法等。同时,也分析了未来研究工作中存在的问题与挑战,如点阵结构性能表征及其尺度关联效应、增材制造材料成形各向异性、功能梯度材料与结构、增材制造材料与结构疲劳特性等对设计方法和成形工艺带来的挑战,为未来相关研究工作和航空航天应用提供参考。     

LF3铝合金管自由电磁胀形工艺及其形状控制

研究了LF3铝合金管无模电磁胀形工艺及不同工艺参数对胀形形状的影响规律。结果表明 ,放电能量、不同材料的保护管、放电频率及管坯成形长度对胀形形状有着显著影响 ,通过调整和选择上述工艺参数 ,可以控制圆管的胀形形状。成形管的中部形状为圆筒状 ,随着变形能量和频率增大 ,成形管径向变形也随之增大 ,而管坯端口处则随着保护管材料电阻的增大 ,口部由锥形向喇叭形变化。管坯成形长度对制件形状的影响表现为成形长度增加 ,制件中部圆筒状长度也增加 ,而端口部均呈尺寸大致相同的锥形或喇叭形。当管坯成形长度大于 40mm时 ,在成形能量相同的条件下 ,制件在管坯端口和固定器附近的变形几乎一致 ,而与成形长度无关     

选区激光熔化钛镍形状记忆合金的超弹性研究

超弹性钛镍合金用于制造航空航天功能性器件,采用选区激光熔化成形方法可显著提高功能性器件设计和制造的自由度与复杂度。通过对选区激光熔化成形后的试样进行微观组织特征和超弹性行为分析,研究了材料在不同加载工况下的超弹性性能。研究结果表明:在20次循环试验中,超弹性行为表现优异且具有6%应变范围的相变平台,马氏体相变开始与结束应力出现约4MPa的小幅衰减,相变应力稳定,累积残余应变仅为1.8%;随着应变幅值的增加,合金变形过程中消耗的能量值从23N·mm增至156N·mm,耗能值与应变幅值成线性增长关系;在不同应变速率下,合金的超弹性行为未发生明显变化。不同加载工况下,选区激光熔化成形的钛镍合金与传统方式制造的钛镍合金相比,超弹性行为表现得更加稳定,利于制造性能稳定的功能性器件。     

石墨烯超材料吸波结构3D打印

石墨烯增强树脂基复合材料密度低,具有优良的电磁波吸收性能,是极具应用前景的雷达隐身吸波材料,传统的石墨烯吸波复合材料制备工艺复杂,难以灵活制备复杂结构。超材料作为一种人工电磁介质,以材料自身电磁特性为基础,通过单胞结构设计,可实现高性能超材料微波吸收结构(MetaMaterial Absorber,MMA)的设计,利用3D打印技术复杂结构零件快速成型的优势,可实现树脂基MMA功能结构一体化制造。综述了石墨烯增强树脂基复合材料、3D打印超材料吸波性能的研究进展,提出一种基于木堆结构的3D打印石墨烯增强聚乳酸复合材料梯度超材料吸波结构,该结构在4.5～40GHz频段内,具有35.5GHz的超宽频带微波吸收性能(反射损耗低于–10dB)。     

声电换能超材料设计与性能

设计了一种将Helmholtz共振效应与压电效应结合的声电换能超材料结构及电路系统,通过传递矩阵法对超材料的能带结构进行了分析.以压电片作为Helmholtz共振器基底通过阵列形成超材料结构.当入射噪声频率与共振频率一致时,声电转换效率最高.利用COMSOL分别对超材料单元及系统进行仿真,验证了超材料单元对于噪声的抑制...     

LF3铝合金管自由磁胀形工艺及其形状控制

研究了LF3铝合金管无模电磁胀形工艺及不同工艺参数对胀形形状的影响规律，结果表明，放电能量，不同材料的保护管，放电频率及管坯成形长度对胀形形状有着显著影响，通过调整和选择上述工艺参数，可以控制圆管的胀形形状。成形管的中部形状为圆筒状，随状为形能量和频率增大，成形管径向变形也随之增大，而管坯端口处则随着保护管材料电阻的增大，口部由锥形向喇叭形变化，管坯成形长度对制件形状的影响表现为成形长度增加，制件中部圆筒状长度也增加，而端口部均呈尺寸大致相同的锥形或喇叭形，当管坯成形长度大于40mm时，在成形能量相同的条件下，制件在管坯端口和固定器附近的变形几乎一致，而与成形长度无关。     

高品质电子束焊接适用技术浅述

真空电子束焊接技术是指利用加速聚焦的电子束流轰击焊件接缝所产生的能量,迅速熔化金属而完成焊接的熔焊方法,具有高效能、大深宽比、小变形、复现性好等特点,适合精密焊接,能解决特殊结构和活泼、难熔材料的焊接问题,在航空航天、核能、动力、机械等众多制造技术领域发挥了重要作用,产生了巨大效益.先进的电子束焊接技术在我国航天领域还蕴藏着巨大的应用潜力和广阔的开发空间.     

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。     

ARALL层压板结构疲劳性能分析

目前在航空领域发展非常迅速的ARALL层压板结构和芳纶预浸料的制造工艺,预浸料在具有高的抗疲劳特性和拉伸特性的ARALL层压板结构中起到非常重要的承力和抗疲劳作用。本结构所采用的制造方法是纤维拉伸法,是一种能使ARALL结构的铝板层具有残余压应力,使纤维层具有残余拉应力的方法,从而改善了材料本体的抗疲劳性能。     

拓扑优化与增材制造结合:一种设计与制造一体化方法

被誉为"第三次工业革命"的增材制造技术通过材料层层累加的方式实现结构的制备,这种独特的制造方式实现了高度复杂结构的自由"生长"成形,极大地拓宽了设计"空间",为新型结构及材料的制备提供了强大的工具。制造工艺的飞速发展往往需要设计技术的快速跟进,拓扑优化方法因其不依赖初始构型及工程师经验,可获得完全意想不到的创新构型,已成为结构创新设计的重要工具。因此,将拓扑优化(先进设计技术)与增材制造(先进制造技术)融合,发展面向增材制造的创新设计技术具有广阔的前景。从面向增材制造的优质结构构型设计以及考虑增材制造工艺约束的拓扑优化设计方法两个方面,介绍了现阶段基于拓扑优化方法所建立的结构创新设计理论,并指出未来研究的趋势。     

钛合金层合梁SPF/DB制造工艺研究

钛合金层合结构因具有较高的损伤容限而受到重视,并成为超塑成形/扩散连接技术应用的一个新方向.通过采用先超塑成形再进行热等静压扩散连接成为整体构件的SPF/DB组合工艺方法,可以实现钛合金层合结构波纹工字梁的制造,其外形尺寸、微观组织和性能等基本能满足设计使用要求,但其工艺参数仍有待通过深入研究进一步优化.     

水平集法在多相材料细观结构优化中的应用

利用高精度通用单胞模型将多相材料的细观拓扑结构和宏观力学性能联系起来,将一个单胞离散成有限个单元,通过单元中材料的有无来描述细观结构,利用水平集法将这个离散变量的拓扑优化问题转化为连续变量的形状优化问题,从而实现了多相材料的细观结构优化.以一种多相材料结构为例进行了细观结构的优化,并获得了具有负泊松比的特性,从而验证了所提出方法的合理性.      

电沉积ZrO2/Ni纳米复合材料低温高应变速率超塑性的研究

采用电沉积方法制备了平均晶粒尺寸为45nm的ZrO2/Ni复合材料,并通过拉伸和胀形试验对该材料的超塑性能进行了研究。拉伸试验结果表明:材料在温度为420~500℃,应变速率为8.33×10-4s-1~1.67×10-2s-1时均获得了高于200%的延伸率。在温度为450℃和应变速率为1.67×10-3s-1时,得到最大延伸率605%。用扫描电镜SEM对拉伸前后试件的显微组织进行了观察,发现晶粒在温度的作用下明显长大。采用内径5 mm的凹模对ZrO2/Ni复合材料进行超塑胀形试验,在温度为420~500℃获得高径比H/d高于0.5的胀形件,说明该材料具有良好的超塑性能。     

镍钛记忆合金增材制造技术研究进展及其在航空领域的应用前景

镍钛合金具有特异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼性、良好的机械性能,是制造驱动器、阻尼器等的功能结构材料.由于镍钛合金的熔炼制备与机加工性能较差,目前应用的镍钛合金构件通常外形简单且尺寸较小,限制了其在航空等领域大型结构件中的应用.金属增材制造技术为形状复杂的大型镍钛合金构建的制造开辟了新途径.综述了镍钛合金的增材制造技术的现状,并举例说明其在航空制造领域中的应用.