航空航天轻质金属材料电弧熔丝增材制造技术

航空航天轻质化、高性能整体结构日趋广泛的应用,对高效、低成本快速研制提出了迫切的要求。电弧熔丝增材制造与其他金属3D打印技术相比,具有制造成本低、成形效率高等特点,为解决这一问题提供了可能。综述了国内外铝合金、钛合金等轻质金属材料电弧熔丝增材制造技术的研究现状,指出了目前存在的主要问题及发展方向。最后,分析了电弧熔丝增材制造大型构件的应力与变形控制、路径规划软件、成形过程在线监控与反馈控制等共性关键技术的发展趋势。     

超声能场在金属增材制造组织性能调控中的应用

针对金属增材制造构件存在微观组织缺陷、残余应力及各向异性等问题,各种组织性能调控技术应运而生。结合近年来超声能场对增材制造组织性能调控的研究工作,详细分析了超声能场在增材制造过程中的“液–固”双重效应,总结了超声能场对增材制造金属材料的显微组织及其表面粗糙度、显微硬度、残余应力、耐腐蚀等性能的影响。研究表明,超声能场使材料内部组织晶粒显著细化、孔隙率降低、耐腐蚀性能提高;同时使增材制造构件显微硬度升高,应力状态向有利于构件性能的残余压应力转变。     

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。     

Al–Mg–Si合金电弧熔丝增材构件组织与性能

以复合超高频脉冲方波变极性钨极氩弧(HPVP–GTAW)为热源,Al–5Mg(ER5087)和Al–5Si(ER4043两种焊丝为填丝材料进行铝合金电弧熔丝增材制造,通过控制两焊丝的送丝速度获得不同主要合金元素Mg和Si含量的Al–Mg–Si合金薄壁构件,试验研究不同Mg/Si比及热处理对薄壁构件组织及性能的影响。结果表明:合金组织主要由柱状晶及少量等轴晶组成,呈非均匀分布。调节主要合金元素含量可实现对铝合金增材构件性能的控制,随着Mg/Si比的增加,增材构件的力学性能呈上升趋势,各向同性;经过固溶及人工时效热处理后,增材构件的力学性能得到显著提升,但塑性降低。     

电弧增材制造研究现状及在航空制造中应用前景

电弧增材制造采用逐层堆焊的方式制造致密金属实体构件,因以电弧为载能束,热输入高,成形速度快,适用于大尺寸复杂构件低成本、高效快速近净成形。面对新一代飞行器制造成本及可靠性要求,其结构件逐渐向大型化、整体化、智能化发展,电弧增材制造技术在大尺寸航空结构件成形上具有其他增材技术不可比拟的效率与成本优势。本文综述了电弧增材制造技术研究现状,并结合该技术特征及国内增材制造技术研究规划,评述了我国在该技术领域的发展际遇与挑战,指出其在航空制造领域的发展前景及意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

钛合金电弧增材制造技术研究现状及发展趋势

电弧增材制造技术作为增材制造的一个重要分支,在最近几年取得了显著的进展。文中简要介绍了增材制造技术的分类及各自特点,综述了钛合金电弧增材制造技术的研究现状,重点从钛合金成形零件的宏观和微观组织结构、制件显微组织控制方法两方面分析研究新进展,探讨了钛合金电弧增材制造技术发展所面临的技术问题以及需要重点考虑的发展方向。     

航空装备电弧熔丝增材制造技术发展及路线规划图

电弧熔丝增材制造技术（wire arc additive manufacturing,WAAM）是一种高沉积效率的增材制造技术，采用逐层堆积的方式制备多种高性能的金属结构件，针对航空装备的大型、中等复杂的铝合金、钛合金WAAM成形技术的研究获得广泛关注。本文对WAAM技术定义、技术分类、成形系统及原理进行论述，综述了近年来国内外航空航天领域WAAM成形铝合金、钛合金的组织特性、冶金缺陷及质量改善、典型构件技术应用等方面的研究进展，分析了目前航空装备的大型、中等复杂构件WAAM成形技术所面临的关键共性问题，并提出了2035年WAAM成形技术路线规划图。     

电子束熔丝增材制造过程在线监测技术研究现状

综述了电子束熔丝增材制造过程在线监控的研究现状,集中讨论成形过程熔池形貌监测、成形过程温度场监测、流动场监测,着重介绍了对熔池形貌的在线监测,并展望了电子束熔丝增材制造过程在线监测未来可能的发展方向:(1)制造过程中电子、离子等信号的在线监测;(2)引入新的信号进行在线监测;(3)对每一层堆积体的质量和层高进行实时跟踪;(4)多信号协同在线监测。     

电子束熔丝增材制造过程随动测温阵列系统

实时监测电子束熔丝增材制造过程的温度场分布对于抑制变形、提高电子束熔丝增材制造质量具有重要意义.研制了一套电子束熔丝增材制造过程的随行动态测温阵列系统,对整个装置进行了系统设计、硬件集成、软件编写和试验验证.结果表明,该随动测温阵列系统在电子束熔丝增材制造过程的高真空、高温、高辐射、高金属蒸气等恶劣环境中能稳定工作,不...     

TiB2颗粒诱导AlSi5电弧增材微观组织演变及性能研究

铝合金的电弧增材制造过程中因持续热积累而引起组织分布不均匀和溶质偏析,导致其性能各向异性。针对这一问题,设计了TiB₂纳米颗粒添加铝合金的钨极氩弧(Tungsten inert gas,TIG)增材制造工艺。在电弧增材制造过程中,通过表面预涂层的方式将纳米TiB₂颗粒添加到试样中,对比研究了纳米TiB₂颗粒不同质量分数对AlSi5合金微观组织的影响。结果表明,随着TiB₂质量分数的增加,AlSi5合金的微观组织不均匀性得到明显改善,1.5%TiB₂的添加使AlSi5合金的晶粒尺寸从226μm减小到85.6μm,且引起(110)和(112)基面上的织构明显减弱,最大取向密度呈下降的趋势;与无颗粒添加的AlSi5增材试样相比,颗粒添加后的沉积层硬度与弹性模量均得到显著提高,硬度值从879MPa增加到1253MPa,弹性模量从81.9GPa增加到88.3GPa。     

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。     

激光冲击中应力状态和显微组织变化对金属疲劳性能影响

从应力状态与显微组织的变化两个方面分析了激光冲击强化改善金属疲劳性能的机理.首先研究了残余应力的作用,认为激光冲击强化产生的残余压应力降低了零部件承受的平均应力水平.然后利用位错理论分析了金属经激光冲击强化引起的显微组织变化,认为激光冲击强化在材料表层产生了大量位错、晶界以及亚晶界等缺陷,这些缺陷阻碍了位错的移动,使金属得到强化.     

航空装备电子束增材制造技术发展及路线图

增材制造技术在航空装备领域具有广泛的发展前景。作为重要的金属增材制造工艺方法，电子束增材制造正处于快速发展阶段。电子束熔丝增材制造技术可满足航空大尺寸结构件的快速低成本制造，并可用于高价值零件的修复。电子束选区熔化增材制造技术在复杂结构以及难熔合金制件的制造方面具有显著优势。本文在对国内外电子束增材制造技术现状和发展趋势分析的基础上，从发展需求、目标、共性关键技术、应用、战略支撑与保障5个方面综合分析，绘制了面向2035年的航空装备电子束增材制造技术路线图，以期为航空装备电子束增材制造技术发展提供参考。     

激光冲击处理技术的应用潜力

介绍了新兴激光冲击处理技术的国内外最新应用情况,如消减焊缝区残余应力、应用于高温的高周疲劳零件以及激光冲击处理与其他工艺的复合等.     

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。     

激光冲击强化7075铝合金熔焊接头的疲劳性能

激光冲击强化（LSP）技术具有残余压应力场深、冷作硬化程度低和强化区域可控等优点,在焊接结构表面改性方面应用前景广阔。对2 mm厚度的7075-T6铝合金激光-电弧复合焊接接头实施了激光冲击强化处理,对比分析了强化前后接头的硬度、残余应力、疲劳寿命以及疲劳裂纹形核机制。结果表明,焊缝中心的最高硬度由强化前的152 HV提高到强化后的175 HV,有效强化层深度约为100 μm;经激光冲击强化后,焊缝区呈现残余压缩应力,最大残余压应力为-200 MPa;9组焊接接头试样的平均疲劳寿命为675 937周,约为强化前疲劳寿命（262 297周）的2.6倍;疲劳裂纹萌生位置从具有高度应力集中的表面缺陷转移至强化层以下的亚表面,进而有效地提高了疲劳裂纹的形核寿命。