激光选区熔化成形技术在航空航天发动机制造领域的研究与应用现状

本文重点介绍了激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）成形钛合金、镍基高温合金、铜合金等材料体系的研究进展，以及SLM装备与工艺新技术；同时综述了国内外SLM技术在航空航天发动机领域的典型应用；最后在分析现有相关研究和应用的基础上，讨论了SLM技术面临的挑战和未来重点研究方向。     

激光熔化沉积钛合金及其复合材料组织力学性能研究进展

激光熔化沉积(LMD)技术快速、自由的成形特点为航空构件的制造和发展带来了新的设计思路和方法.对激光熔化沉积钛合金与钛基复合材料的组织结构和力学性能进行了归纳分析,包括成形工艺参数、热处理技术以及增强体种类和含量对成形钛合金与钛基复合材料组织力学性能的影响,发现成形工艺参数直接影响粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构,...     

选区激光熔化成形碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究现状及航空航天应用

综合评述了选区激光熔化(SLM)成形碳化硅颗粒增强铝基复合材料国内外研究现状,分析了选区激光熔化成形碳化硅颗粒增强铝基复合材料的技术难点,介绍了碳化硅颗粒增强铝基复合材料在航空航天领域应用案例及选区激光熔化技术优势,最后对选区激光熔化成形碳化硅颗粒增强铝基复合材料研究进行了展望。     

激光选区熔化成形高温镍基合金研究进展

高温镍基合金在高温高压条件下具有高强度、优异的抗疲劳性能与蠕变特性,是航空航天领域中重要的高温合金材料之一。综述了基于粉末床激光熔化成形技术进行镍基高温合金零件快速制造的国内外研究进展,首先系统地介绍了成熟应用于金属3D打印技术和正处于研究开发中的高温镍基合金材料,接着总结了经SLM成形后高温镍基合金材料的微观组织结构与缺陷,以及相应热处理后零件的组织变化和力学性能特征。最后,进一步概述了SLM成形高温镍基合金零件热点科学问题。     

基于激光选区熔化的航空发动机喷嘴减重设计及制造技术研究

航空发动机喷嘴是影响燃烧性能的关键部件,其组件众多、结构复杂,尤其内部流道加工困难,导致制造周期长、成本高。然而,作为非主承力件的喷嘴非常适用于激光选区熔化制造技术(SLM),这得益于激光选区熔化加工精度高,自由成形能力强,材料组织致密度高。基于SLM可实现自由制造的技术优势,首先对喷嘴的壳体组件进行了一体化设计,并进行了受力分析和拓扑优化,然后采用SLM打印了成形件,经过测量,可获得13.5%的轻量化效果,打印误差小于0.2mm,满足局部精加工的余量要求,随炉试件力学性能达到传统铸锻件水平。SLM简化了喷嘴的加工工序,缩短了制造周期,流道成形精度高,达到了减轻重量和改善性能的目的。     

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。     

拼接顺序对双激光选区熔化成形TC4钛合金成形性的影响

为了提高多激光选区熔化技术在拼接区域的成形质量,研究了不同拼接顺序对双激光选区熔化成形TC4钛合金拼接区域的表面形貌、内部缺陷、拉伸性能等成形性的影响。结果表明,相邻层间条带无相对偏转时,双激光逆序拼接因激光熔化扫描过程中粉末的剥蚀效应导致拼接区域表面起伏较大,且易于产生内部缺陷;双激光顺序拼接可大幅消除拼接区域表面起伏,且内部缺陷大幅减少;设置67°相邻层间条带相对偏转角时,双激光顺序拼接试样可避免内部缺陷产生,改善拼接区域表面形貌,显微硬度及抗拉强度则与逆序拼接时基本一致。采用顺序拼接和相邻层间条带相对偏转可改善双激光选区熔化拼接区域的成形质量。     

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。     

热处理对激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金组织及性能影响

针对激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金强度提升以及与塑性合理匹配等问题,采用致密度最优工艺优化策略,获取了激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr最佳参数,并进行了时效与固溶热处理,研究了其对微观组织和力学性能的影响。结果表明：Al-Mg-Sc-Zr在激光功率为360～370 W、扫描速度为800～1000 mm/s、扫描间距为100μm及铺粉层厚为30μm时,致密度和组织缺陷最佳;时效或固溶热处理后,材料组织呈现交替分布细晶区和粗晶区,发生析出相增加强化,屈服与抗拉强度较沉积态得到提升;时效热处理相较固溶热处理,材料晶粒无明显长大,325℃/4 h时效热处理综合力学性能最佳,屈服强度为548 MPa、延伸率为11%;改变Al-Mg-Sc-Zr激光选区熔化成形材料热处理制度,可对其合金晶粒尺寸、析出相尺寸和密度进行控制,实现强度与塑性的合理匹配。     

激光选区熔化成形TC4钛合金激光焊接头组织与力学性能

对3mm厚激光选区熔化成形(SLM)TC4钛合金对接接头进行了激光焊接工艺试验,研究了80J/mm和100J/mm两种能量输入对接头焊缝成形、微观组织及接头力学性能的影响.结果表明,在两种不同焊接能量输入条件下,激光焊接SLM成形TC4钛合金获得良好的焊缝成形,焊缝区的平均显微硬度分别为388.7HV及403.3HV,...     

数值模拟在激光选区熔化中的应用及研究现状

激光选区熔化(SLM)是采用高能激光将金属粉末逐层熔化堆积形成零件的增材制造技术,因SLM过程中熔池的加热冷却速度快,缺陷、应力和微观组织形成机理分析困难,数值模拟可展现SLM过程的细节,对于理解激光选区熔化现象和指导生产实践有重要意义。目前激光选区熔化数值模拟存在多种方法,本文将致力于系统综述激光选区熔化的基本特点,介绍几种常用的建模方法和研究现状并讨论SLM数值模拟的发展趋势。     

基于SLM工艺的航空支架优化设计

激光选区熔化(SLM)是一种通过使用激光熔化金属粉末层成形的增材制造工艺,没有传统工艺的设计约束。但基于SLM的结构设计也需遵循一定的设计规则,从而兼顾效率、成本和成形稳定性。本文对轻量化航空铝合金支架的SLM工艺性进行分析,包括成形时间、消耗、后处理难度和稳定性。后结合SLM成形特点对原始结构进行重新设计,研究更复杂结构的机械性能和SLM工艺性,得到一个优化结构。优化结构重量减轻24.5%,工况加权刚性提升38.3%,位移量最大减少32.7%,在缩放系数为0.5的条件下,成形时间减少38.6%,材料用量大幅减少65.6%,优化结构没有内部支撑,后处理难度得以降低,整体成形稳定性提升明显。     

铝合金选区激光熔化精密成形及其在航空领域的应用

主要介绍了铸造铝合金的选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术,总结分析了ZL1××–ZL4××系4个系列铸造铝合金的SLM成形工艺、SLM成形件热处理工艺等国内外研究现状,以及其在航空工业领域的工程应用,并进一步探讨了铸造铝合金SLM成形技术存在的问题和发展趋势。     

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。     

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...     

高功率光纤激光熔化成形IN718的工艺及性能

为研究选择性激光熔化(selective laser melting,SLM)成形工艺参数对镍基高温合金IN718致密度、微观组织和显微硬度的影响,借助FORWEDO LM180型SLM成形机采用不同工艺参数制备了分析试样,通过维氏硬度测试,光学和扫描电镜观测以及X射线检测方法对试样进行了测试分析。结果表明:随激光能量密度提高(激光功率起主导作用),成形试样孔隙缺陷减少,致密度显著提高;在较大激光能量密度下,合金试样微观组织生长趋于均匀,晶粒更加细小;提高激光扫描速率,造成激光辐射和冷却时间变短,合金微观组织生长方向变化显著;SLM工艺复杂的传热特点影响试样组织形貌的复杂程度;合金试样的显微硬度随着组织细化和致密化而提高。     

打印方向对SLM增材制造点阵结构力学性能的影响分析

为研究激光选区熔化（SLM）增材制造技术的制造方向对点阵结构力学性能的影响,基于不同的打印角度,制备了4组不同相对密度的Ti–6Al–4V面心立方（PC）点阵试样,并开展了力学性能数值仿真、试样微观形貌观测及单轴压缩试验。结果表明,不同打印方向引起的制造缺陷会造成点阵结构等效杨氏模量及失效模式的改变,低密度点阵结构呈现出无特定规律的“逐层坍塌”破坏,高密度点阵结构为整体“剪切”破坏;点阵结构支杆缺陷随打印方向与支杆夹角增大而增大,同时引起点阵结构等效杨式模量的各向异性,低密度点阵结构的制造缺陷对打印方向更敏感,在相对密度为0.1138时,不同打印方向的等效杨氏模量最大差异达14.6%;由于增材制造的内部缺陷,导致基于均质化理论的仿真结果相较试验值偏高。     

非传统激光束激光选区熔化3D打印的研究现状及展望

将非传统激光束激光选区熔化(SLM)作为调研对象,介绍了非传统激光束整形原理及其SLM设备情况,以椭圆高斯光、平顶光、反高斯光和细光斑为分类,总结了不同激光形状类型在生产过程中对制品热历史、微观组织和缺陷的影响.对集成光束整形器件和非传统激光SLM打印研究后发现,椭圆形高斯光打印由于改变了光束椭圆度可使制品在不同部位具...     

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。     

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。