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。     

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。     

金属构件选区激光熔化成形技术

金属构件由粉末直接成形是快速成形技术的发展方向.现阶段已有的金属粉末直接快速成形技术主要有选区激光烧结、激光熔覆和选区激光熔化的3种工艺.前两种方法不能直接制造出可直接使用的达到一定尺寸精度和表面粗糙度要求的金属构件.选区激光熔化方法利用直径30～50μm的聚焦激光束,把金属或合金粉末选区逐层熔化,堆积成一个冶金结合、组织致密的实体.其外形不需进一步加工,经抛光或简单表面处理就可直接作模具或工件使用.本文对现阶段国内外快速成形金属零件的主要的3种工艺方法进行简要评述,着重介绍选区激光熔化技术的设备和工艺的研究现状和发展前景.     

循环加载条件下TiNi形状记忆合金超弹性变形特性分析与模拟

超弹性是形状记忆合金(SMA)重要的力学性能之一,本文在试验研究的基础上讨论了在不同试验温度和应变速率的循环加载条件下,TiNiSMA的超弹性变形特性。从唯象观点分析了循环变形期间相变应力和弹性模量的变化。通过引入三个内变量,即循环期间所累积的残余应力、残余应变和残余马氏体相,表征承受加载和卸载的TiNiSMA循环超弹性变形。在此基础上,提出了模拟TiNiSMA的超弹性变形方法。在部分加载的内循环情况下,采用相变应变函数的混合规则表达材料的弹性模量。     

NiTi合金的相变-塑性统一本构模型与数值算法

为了准确描述NiTi形状记忆合金的相变与塑性力学行为,基于不可逆热力学理论框架并假定两个内变量分别表征合金变形过程中的相变与塑性行为,推导出其相变、塑性的主控方程,总结两阶段的主控方程,构建出NiTi合金动态加载过程中的相变-塑性统一本构模型。采用半隐式应力积分算法对非弹性应变增量进行更新,通过FORTRAN语言将所提出的宏观唯象本构模型进行了数值程序实现。对比模拟与实验结果验证了该本构模型的合理性,发现该模型能够准确描述NiTi合金随着载荷增加而出现的母相弹性、马氏体相变、马氏体弹性与马氏体塑性流动等不同变形阶段,对于不同应变率动态加载下的应力-应变行为该模型也可较理想地描述。     

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。     

激光熔化沉积Ti-6Al-2Zr-Mo-V钛合金组织特征研究

采用激光熔化沉积快速制造工艺直接成形Ti-6Al-2Zr—Mo—V合金板材。激光熔化沉积过程中合金粉末充分熔化并在液态均匀混合以得到成分均匀、全致密的组织。SEM分析表明,激光沉积Ti-6Al-2Zr-Mo—V合金具有均匀细小的α／β双相片层组织,且片层取向随机多样,分布均匀。其组织特点与激光沉积过程中的快速凝固和固态相变有关。解释了其特征组织的形成机理,并讨论了其沉积层组织特征对性能的影响。     

扫描方式对激光选区熔化成形316不锈钢性能的影响

为了揭示激光选区熔化成形过程中熔池行为,以316不锈钢粉末为对象展开激光选区熔化试验,研究了激光选区熔化成形时不同的扫描方式对成形件内部缺陷、微观组织以及室温拉伸性能的影响.结果表明:将层片分区短线扫描成形可以有效地控制成形零件内部的气孔缺陷;与无分区长线扫描相比,采用分区短线扫描后零件内部组织呈现明显的柱状且晶粒尺寸较大.     

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。     

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,...     

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。     

增材制造钛铝合金研究进展

钛铝合金具有轻质、高强、耐高温等优异特性,在航空领域,特别是在航空发动机涡轮叶片上具有重要应用价值。然而,钛铝合金的室温脆性大、热变形能力低,使得采用传统的锻造、精密铸造、粉末冶金等技术均难以制造具有复杂形状,特别是具有内部空腔结构的钛铝合金叶片,限制了其性能的进一步提升。增材制造技术能够突破形状的制约,有望发展成为制造钛铝合金复杂结构零部件的新技术。目前,应用于钛铝合金的增材制造技术主要有电子束选区熔化、选区激光熔化和激光金属沉积。本文调研了增材制造钛铝合金领域2010~2020年的文献,对上述3类增材制造技术的原理和特性、所使用合金粉末的特性、打印构件的相组成、组织形貌和热处理工艺、宏观和微观力学性能及其在航空领域的应用等研究进行了对比分析和评述,并对增材制造钛铝合金发展中所存在的问题及下一步研发重点进行了总结和探讨。     

激光熔化沉积技术在制备梯度功能材料中的应用

激光熔化沉积(LMD)是一种典型的增材制造技术,与传统的成形工艺相比,具有加工周期短、设计灵活、成形件尺寸精度高、绿色环保等一系列特点。梯度功能材料(FGM)是一种先进的功能性材料,其内部没有明显的界面,材料的成分、组织性能呈梯度变化。在梯度功能材料的制造方法中,激光熔化沉积既可以缓和不同材料间的应力,保证材料优良的成形性,又可以通过灵活的设计来控制成形件组织和性能的变化和分布规律,为梯度功能材料的制造提供了一种新途径。介绍了激光熔化沉积的技术特点、梯度功能材料的特点与应用、国内外激光熔化沉积技术制造梯度功能材料方面的研究进展,以及团队目前在此领域的研究状况,同时分析了利用激光熔化沉积技术制造梯度功能材料的发展前景。     

GH4169高温合金多层板结构的激光连接/超塑成形组合技术

采用激光连接/超塑成形组合技术制造了GH4169合金三层板结构件,并分析了该合金板的超塑性及成形前后的微观组织.结果表明:超细晶GH4169板材具有良好的超塑性,在T=940℃,初始应变速率为=6.1×10-4s-1的条件下,延伸率达到368.2%,m值为0.39,超塑成形过程改善了焊缝显微组织并且提高了其力学性能,因此该方法适用于GH4169高温合金多层结构的制造.焊接工艺参数:频率32Hz,峰值功率4500W,脉宽3ms,焊速180mm/min;超塑成形工艺参数:温度Tf=960℃,压力Pf=4.2MPa,时间tf=130min.     

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。     

原始粉末粒度对GH4169合金选区激光熔化成形件组织和性能的影响

为探究GH4169合金原始粉末粒度对增材制造(Additive manufacturing,AM)成形件组织与性能的影响,选取两种不同粒度范围的合金粉末进行选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)试验,并进行相同条件的热处理.测试了沉积态和热处理态的密度和室温拉伸性能,观察了金相组织、断口...     

工艺技术

利用激光成形技术可用粉末制造飞机零件 航空航天工业采用一种激光成形技术，用粉末状钛制造高科技钛件。这是一种新的工艺，可以降低样机零件的生产成本。美国明尼苏达州的研究人员研究了这种激光成形工艺，可把钛合金粉末沉积到基材上，形成可加工到低表面粗糙度值的“预成形”形状。这种工艺可比传统的铸造法或其他加工方法减少生产废品８０％，并把生产周期从几个月减少到几周。 激光成形工艺是在惰性气体（通常是氩气）室中采用高功率二氧化碳激光熔化基材和正在沉积的钛粉。采用这种工艺制造零件，激光保持不变，而零件本身通过计算机…     

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,...     

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...     

定向凝固DZ4合金的低周疲劳行为与稳定循环应力

对定向凝固DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳和稳定循环应力应变行为进行了研究,并结合断口观察试验结果,对其疲劳裂纹的萌生与扩展进行了分析。结果表明,DZ4合金760℃和800℃下的低周疲劳属应力疲劳,其损伤以弹性损伤为主,弹性损伤与疲劳寿命具有很好的相关性。加载频率对DZ4合金760℃和800℃下的稳定循环应力均具有一定的影响,尤其是800℃时,各应变下的稳定循环应力均随加载频率的升高而减小。定向凝固DZ4合金高寿命低周疲劳裂纹易于萌生于试样内部或亚表面的柱状晶界,其疲劳裂纹的稳定扩展也较难形成典型的疲劳条带。