高性能金属零件激光增材制造技术研究进展

激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技术实际上是一种兼顾精确成形和高性能成性一体化需求的先进制造技术.首先介绍了两种典型激光增材制造技术的成形原理及其特点;然后介绍国内外激光增材制造技术的最新研究进展;再重点介绍西安交通大学在激光增材制造技术方面的最新研究进展:(1)超声振动辅助激光熔覆沉积对IN718沉积态组织与性能的影响;(2)感应辅助激光熔覆沉积DD4定向晶修复DZ125L叶片的研究;(3)CuW功能梯度复合材料的激光熔覆沉积工艺研究;(4)送粉气纯度对激光熔覆Fe314修复40Cr组织与性能的影响;最后阐述了激光增材制造技术所面临的挑战.     

激光金属沉积技术研究现状与应用进展

增材制造是融合材料科学、机械自动化及信息技术的先进制造技术,在近30年的发展中,发挥着越来越重要的作用。激光金属沉积(Laser metal deposition,LMD)是基于定向能量沉积(Directed energy deposition,DED)的一种增材制造技术,在近年来受到广泛关注和研究。阐述了LMD技术的基本工作原理及系统组成,重点介绍LMD技术国内外研究进展及应用现状,列举了一些基于LMD的工艺技术开发及装备研发制造,指出了LMD技术在成形效率和成形精度、工艺稳定性及性能一致性等方面的不足。最后,总结了LMD技术未来的5个发展趋势:材料体系集约化、工艺参数系统化、成形过程高效化、设备集成智能化和应用领域广泛化。     

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。     

激光增材制造钛合金构件的化学抛光工艺研究

采用HNO3-HF抛光液对激光选区熔化钛合金制件进行化学抛光,以试样表面粗糙度、减薄及失重变化为指标探究了抛光过程中不同温度和时间对钛合金增材制件抛光效果的影响。通过电化学测量、拉伸试验、残余应力测试等方法对比分析了化学抛光前后钛合金试样的电化学和力学性能。结果表明在温度30℃、反应时间10min下抛光钛合金可以取得较理想的抛光效果,试样表面粗糙度减小、耐腐蚀性能提高。化学抛光后钛合金的强度出现小幅下降,内部原有的残余应力由拉应力转变为压应力。     

弱旋流燃烧器燃料/空气预混均匀性研究

实施贫预混燃烧技术的关键是保证燃料与氧化剂的均匀混合,避免在燃烧时形成局部高温点而导致NOx排放增加。本文针对弱旋流燃烧器设计了甲烷/空气预混方案,首先通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性,然后对当量比为0.7的预混气体进行数值模拟,分析了燃料喷射孔和弱旋流流场特性对掺混的影响机制。结果表明：喷射孔径影响燃料的初始分布,很大程度上决定了在有限空间内可以达到的最终混合效果,对给出的预混结构,存在最佳当量孔径b=0.01及对应的平均动量通量比 J =75.59,使混合效果最优。弱旋流流场由中心直流通量和外环旋流通量共同作用,其中旋流对燃料扩散起主导作用。在保证弱旋流特性的前提下,通过增大孔板阻塞比或旋流叶片几何角的方式能够强化旋流作用,从而提高预混均匀性。     

端壁倒圆半径误差对高负荷静叶栅性能影响的不确定性分析

为对压气机静子叶片高精度设计与制造提供有力参考,以某高负荷压气机静子叶栅为研究对象,采用基于高斯分布型随机输入的非嵌入式多项式混沌方法,量化评估了端壁倒圆半径误差对最小损失和近失速两个工况下气动性能的不确定性影响。结果表明:倒圆半径误差的不确定性对气动性能的平均水平影响不大,主要反映在气动性能参数的标准差上。提高倒圆半径的加工精度可提升气动性能的鲁棒性近一倍。加工精度一定时,为对叶片进行鲁棒性优化设计,应重点关注近失速工况下气动损失的鲁棒性。根据公差带内端壁倒圆半径与近失速工况下气动性能的关联性分析,倒圆半径与气动性能呈线性关系,应避免倒圆半径与设计值相比偏小的叶片投入使用,以期获得良好的气动性能。通过近失速流场的不确定性分析,分离流动对于倒圆半径误差更为敏感,是引起气动性能不确定性变化的主要因素。      

基于激光增材制造技术的航天运载器上面级舱体结构一体化设计与成形方法

为将激光增材制造(LAM)技术更加广泛的应用于航天运载器结构设计与成形,基于激光选区熔化(SLM)现有成形能力,实现了航天运载器上面级舱体结构一体化设计。具体建立无连接件的整舱一体化模型,成形缩比一体化舱体产品,并通过静力试验验证了基于激光增材制造技术的一体化设计与成形方法的可行性,从而对其在航空航天领域推广应用的技术途径进行探索。     

4D打印技术的研究进展

4D打印是实现对智能材料的增材制造技术。本文基于复合材料、形状记忆聚合物、形状记忆合金等材料简要综述了4D打印智能材料的研究进展。目前复合材料的4D打印向着多材料精确复合、响应速度快、成形材料功能化等方向发展;4D打印形状记忆聚合物则朝着形态可控、实现特定动作等方向发展;4D打印形状记忆合金,目前向着相转变行为精确调控、变形可控等方向发展。由于目前4D打印形状记忆合金存在诸多未解决的问题,本文提出了获得近全致密4D打印形状记忆合金需考虑的因素;成形孔隙对其综合性能的影响;组织性能调控;变形控制;性能指标调节的冗余度问题;需要突破的科学问题等相关思考。总体而言,随着新型原材料、成形方法、控制软件和机器精度的不断发展,4D打印技术发展迅速,正逐步走向智能化、精确化和高效化。     

聚合物先驱体转化法制备多孔陶瓷的研究进展

聚合物转化陶瓷(polymer derived ceramics,PDCs)制备技术简单,烧结温度低,可设计性强,40年来得到了极大的发展。本文综述了多孔PDCs的研究进展,包括模板法、发泡法、冷冻铸造技术、增材制造技术等制备方法;此外,还对陶瓷前驱体如聚碳硅烷、聚硅氧烷、聚硅氮烷等分子侧链设计以调整陶瓷产物的组成、微结构、力学性能等的研究现状进行了综述;提出未来发展的方向是增材制造技术制备多孔 PDCs及陶瓷前驱体分子层面的设计。     

多孔氧化锆陶瓷光固化工艺及压缩性能研究

在传统陶瓷成型工艺中,制备具有复杂多孔结构的高性能陶瓷样件向来是一大难点,随着增材制造技术的引入,对于所成型样件结构的限制大大减少,但如何利用增材技术实现多孔样件的稳定制备是关键问题。针对光固化陶瓷增材成型这一制备工艺,进行了成型以及烧结过程工艺参数的研究与优化,结果表明,对于面投影式光固化陶瓷成型适用的曝光时间为5s、成型层厚为30μm、烧结温度为1480℃,利用该参数可成型具有规则多孔单元的氧化锆结构,其显微硬度及致密度分别为13.91GPa以及95%。利用工业CT模型重建,并与理论模型比对,发现多孔样件在宏观尺度上均匀;而利用压缩测试与有限元仿真对照,静态应力分布、弹性阶段动态压缩结果以及断口微观形貌均表明多孔样件在压缩性能上已达到其理论强度。通过光固化成型高性能多孔氧化锆样件,可为航空领域中轻量化设计提供新的选择。