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。     

增材制造阵风锁支座的装机应用研究

根据3D 打印技术的装机推进要求，在完成材料及工艺的验证后，即开始进行试片级增材制造材料许用值试验以及增材制造零件级试验。增材制造的零件由于其工艺特点，通常X-Y 方向与Z 方向力学性能有差异，与传统金属零件设计时各向同性的特点有差异，因此有必要在接近真实飞行状态下测试其力学性能。以增材制造阵风锁支座为例，计算飞机运营过程中最大载荷状态，选取最典型的载荷方向进行工装试验方案设计；在试验开始前，进行工程计算和软件仿真，预测失效模式和失效载荷。结果表明：软件仿真和工程计算的结果准确有效，增材制造钛合金阵风锁支座的力学性能稳定，能够承受极端工况的考验，满足装机要求。     

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。     

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...     

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。     

微桁架点阵结构在飞机结构/功能一体化中的应用

近几年,点阵结构技术随着3D打印等新兴制造技术的发展而快速发展,在结构功能一体化技术应用中表现出巨大潜力。它可作为多功能化的优良设计载体,实现承载、防热、隐身、变体等各项功能的有机融合。但一些关键技术尚待突破,到目前为止尚未见增材制造点阵结构在飞机上大规模应用。结合飞机结构/功能一体化需求,对点阵结构的制造工艺、性能特点和典型应用进行了综述,并从结构设计、制造工艺、性能评价等方面对制约点阵结构工程应用的原因进行了分析讨论。     

增材制造——面向航空航天制造的变革性技术

增材制造技术在航空航天应用方面具有单件小批量的复杂结构快速制造优势,未来将向着设计、材料和成形一体化方向发展。分析了增材制造在航空航天领域应用发展的3个层面,以航空发动机涡轮叶片增材制造、高性能聚醚醚酮（PEEK）及其复合材料、连续纤维增强树脂复合材料及太空3D打印为主题,介绍了增材制造技术国内外以及西安交通大学的研究状况。涡轮叶片应用增材制造工艺可以有效提高效率降低成本,未来向高性能的高温合金和陶瓷基复合材料增材制造技术发展。高性能轻质聚合物PEEK及其复合材料增材制造在高力学性能结构件、吸波功能件的成形中得到应用,将改变现有的设计与材料,推动结构与功能一体化发展。连续纤维复合材料增材制造将带动无模具纤维复合材料成形的新发展,在太空3D打印将改变未来航空航天制造模式。增材制造技术将给航空航天制造技术带来变革性发展。     

金属增材制件射线检测缺陷检出概率分析

针对增材制造射线检测缺乏缺陷检出概率数据易导致裂纹、孔隙缺陷漏检问题,以GH3625高温合金增材制件的线型缺陷和孔型缺陷为研究对象,使用CIVA2020仿真平台模拟X射线检测并得到缺陷检出概率（POD）曲线,研究两种缺陷不同尺寸变化对缺陷检出概率的影响,确定不同影响因素下缺陷检出尺寸及检出概率,并利用Sgompertz函数拟合得到线型缺陷受深度影响的POD曲线方程以及孔型缺陷受半径影响的POD曲线方程,建立了增材制造线型缺陷和孔型缺陷的缺陷检出概率模型。结果表明：在95%的置信水平下以90%概率可检出的线型缺陷长度尺寸为0.211 mm、宽度尺寸为0.213 mm、深度尺寸为0.178 mm,孔型缺陷可检出的直径尺寸为0.188 mm,高度尺寸为0.190 mm。通过实际试样微焦点射线成像检测以及胶片射线照相检测对仿真结果进行对比验证。表明建立的缺陷检出概率模型较为准确,可为增材制造中裂纹与孔隙缺陷检测可靠性分析提供依据。     

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。     

增材制造Ti–6Al–4V组织的演化与拉伸性能的差异

Ti–6Al–4V适用于多种增材制造技术,但是不同增材技术制造的Ti–6Al–4V组织演变形式不同。以沉积效率最低的选区激光熔化和沉积效率最高的电弧填丝增材制造技术为研究对象,总结了这两种工艺条件下Ti–6Al–4V微观组织的演变形式和拉伸性能的差异。选区激光熔化制造的Ti–6Al–4V组织以α'马氏体为主,使其延展性降低。电弧填丝增材技术制造的Ti–6Al–4V晶粒粗大、存在晶界α相,导致其强度较低。针对这些问题,提出了有效改善性能的方法,同时对这两种增材技术的发展和未来的研究趋势进行了预测。     

基于增材制造的多层金字塔点阵夹芯板抗压缩性能

基于增材制造工艺制备多层金字塔点阵夹芯板,并根据标准测试方法进行准静态平压破坏实验,得到多层金字塔点阵结构的抗压缩强度。结果表明:制备的金字塔点阵结构抗压缩性能的稳定性非常好,载荷-位移曲线变化规律基本一致;试件的点阵胞元节点处首先进入塑性,之后中间两层点阵在节点处发生断裂,试件平压强度的平均值为6.72 MPa;由于成型工艺的限制,杆件"背面"质量较差,实际杆件的直径小于理论值,导致平压强度的实验结果小于理论和仿真分析值;理想化假设导致理论分析的平压强度结果与实验结果相差较大,而仿真结果与实验结果误差较小,可以控制在20%左右,满足工程精度要求;通过对比载荷-位移曲线和典型载荷下的结构变形情况可知,仿真分析可以较准确预测该点阵结构的压缩行为。     

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。     

激光增材制造TC4/TC11钛合金梯度结构温度场预测与显微组织分析

使用激光增材制造技术制备TC4/TC11钛合金梯度材料典型沉积试样,测量沉积过程中3个特征位置的温度历程,并对沉积试样进行显微组织观察。建立了激光增材制造TC4/TC11梯度材料结构温度场预测有限元模型。有限元模型的温度场计算结果与试验结果吻合较好,同时有限元模型所计算的Tβ温度转变线位置与试样显微组织中观察得到的结果一致。显微组织观察结果表明,试样中无缺陷,顶部为等轴晶区域,从增材底部到等轴晶区域之间存在贯穿整个增材区域的柱状晶;在Tβ温度转变线两侧微观组织有明显不同:最后一层增材过程中,温度超过Tβ的组织冷却后为超细α+β网篮组织,温度未达到Tβ的组织冷却后为带有大量α集束的α+β网篮组织;在设计界面(材料组分变化位置)处组织连续、无突变。     

增材制造钛合金微桁架夹芯板低速冲击响应

增材制造技术能够制造复杂点阵结构。相比于传统的加工工艺,可以一次成型,克服了低速冲击下传统工艺芯层与面层在连接点处易发生脱粘的问题。利用低速落锤试验装置对增材制造面心立方（FCC）夹芯板和体心立方（BCC）夹芯板进行了低速冲击试验,获得了两种微桁架点阵夹芯板的破坏模式和冲击响应曲线。低速冲击下,微桁架夹芯板上面层在冲击部位产生局部凹坑,并出现裂纹,其余部位没有大变形。试验结果表明在相同能量冲击下,BCC夹芯板的凹坑深度要小于FCC夹芯板,BCC夹芯板的抗冲击性能要优于FCC夹芯板;建立有限元模型,较好地表征了低速冲击过程中微桁架结构的损伤。发现在低速冲击过程中,对于两种微桁架点阵夹芯板,冲击能量主要由上面层和芯层吸收;冲击能量改变,夹芯板各部分吸能百分比变化较小。BCC夹芯板和FCC夹芯板结构稳定,整体性好;低速冲击下,FCC夹芯板最先发生破坏的部位是上面层与芯层连接处;而BCC夹芯板最先发生破坏的部位是中间竖直桁架。     

陶瓷零件增材制造技术及在航空航天领域的潜在应用

陶瓷零件因其强度高、密度低、耐高温及耐腐蚀等特点在航空航天领域具有广阔的应用前景。然而,陶瓷零件的传统制造方法存在周期长、成本高、依赖模具且难以制造复杂结构等问题,极大限制了陶瓷零件在航空航天领域的应用。增材制造技术是一种基于"离散-堆积"成型原理、由三维数据驱动直接制造零件的方法。与传统制造方法相比,增材制造技术具有设计自由度高、产品研发周期短、制造成本低等优势,可以无需模具快速制造复杂结构陶瓷零件。在简要阐述增材制造原理和特点的基础上,系统地分析了采用三维打印、激光选区烧结、激光选区熔化、熔融沉积造型、分层实体制造、光固化成型等技术制造陶瓷零件的研究现状及存在的问题。最后,对陶瓷零件增材制造技术在航空航天领域的潜在应用进行了分析与展望。     

增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法

应急保障和战时抢修是增材制造技术发展的重要方向之一,也给面向增材制造的结构优化设计提出了新的挑战。为了实现异种材料原位替换件的构型设计,提出增材制造损坏替换件拓扑优化设计方法,并以机用散热风扇为例开展应用研究。通过分析散热风扇服役环境和战时抢修需求,在变密度方法框架下建立结构总重量和转动惯量控制在原件数据附近小范围以内、以结构整体柔顺度最小化为目标的拓扑优化问题列式,并完成灵敏度分析公式推导。从拓扑优化结果及其重构模型的仿真数据可知：散热风扇替换件拓扑优化结果收敛性好、满足所有设计要求,重构方案满足增材制造工艺性要求,验证了本文设计方法的有效性。     

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。     

低速冲击对K-cor夹层结构力学性能的影响

K-cor夹层结构是应用Z-pin技术增强的一种新型高性能夹层结构,本文基于落锤冲击实验对低速冲击下K-cor夹层结构的力学性能进行了研究,结合红外无损检测和冲击后压缩强度（CAI）试验,对不同Z-pin植入参数和芯材厚度对K-cor试样的冲击损伤阻抗进行了深入研究。研究结果表明：K-cor夹层结构的芯材越厚,则其冲击损伤面积越大,但剩余压缩强度比越高;在不超过植入间距的前提下,增加Z-pin的折弯长度能显著的降低K-cor结构冲击后的损伤面积,提高压缩强度;在相同芯材密度的情况下,提高Z-pin的折弯长度比增大植入密度更有利于减少K-cor试样冲击后的损伤面积,提高试样的压缩强度和其剩余压缩强度比。     

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。     

激光选区熔化制备钛合金点阵材料无损表征

通过激光选区熔化制备BCC和DOD结构的钛合金金属点阵,使用Micro–CT对两种结构的钛合金点阵材料进行扫描和三维重建。Micro–CT图像清晰地显示金属点阵内部结构,BCC和DOD单胞整齐地以周期性进行排列,且内部存在少量圆形、椭圆形缺陷。通过将实际样品三维数据与CATIA数模进行比对,发现钛合金点阵在制备过程中出现一定程度翘曲。此外使用共聚焦显微镜并基于Micro–CT图像对BCC和DOD两种金属点阵进行表面粗糙度测定。结果表明,Micro–CT在钛合金点阵材料内部结构、缺陷、制备误差、粗糙度测试等表征方面具有显著的应用价值。