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。     

Heat Absorbing and Releasing Experiments with Improved Phase-change Thermal Storage Canisters

This article, based on authors' long-term study, proposes an improved foamed-Ni-packed phase-change thermal storage canister, which takes advantage of the foamed-Ni characteristic of instinctive porous structure and excellent properties to ameliorate its void distribution and thermal conductivity. The improved canister and the unimproved one without foamed-Ni package, are put to heat absorbing and releasing tests to investigate the effects of heat absorbing temperature upon the phase-change materials (PCM) melting time under three temperature schemes by using platinum resistance thermometers (PT100) and data acquisition modules (ADAM-4000) to gather the data of varying temperature. Afterwards, the computerized tomography (CT) is employed to scan the void distribution in both canisters. Compared to the unimproved canister, the experimental results evidence the superiority of the improved one in higher uniformity in void and temperature distribution as well as faster thermal responses.     

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,...     

微重力下相变储能单元融化过程数值模拟

为探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中传热特性。通过地面实验与重力作用下数值模拟结果对比验证数值模拟方法的准确性,对比重力和微重力作用2种情况下数值模拟结果以揭示微重力环境中相变材料融化过程的特性。结果表明,当相变储能单元受微重力作用时,相变材料融化速率明显下降,热量主要通过热传导传递,融化的相变材料从顶端膨胀溢出向空间扩散,局部低温区域在相变储能单元中上部。      

微纳卫星相机主承力构件轻量化设计与增材制造

针对20kg微纳遥感卫星相机主承力构件的轻量化需求,以转接环、次镜环和主背板三个主承力构件为研究对象,开展面向选区激光熔化增材制造技术的结构设计与制造关键技术研究。结果表明,设计的0.5mm折边结构具有良好的抗压缩和扭转等力学性能,在实现轻量化的同时,可显著提升构件的支撑强度。通过45°斜壁与微桁架结构,实现无辅助支撑增材制造。从能量输入、结构微调及加快热传导三个方面入手,有效解决了打印过程尖角变形难题。最终获得了质量分别为89g、87g和546g的三个轻量化主承力构件。搭载原理样机开展系统装调与地面力学试验,通过了8G重力加速度测试,实现了卫星相机大型复杂结构主承力构件的高承载和轻量化制造。     

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。     

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。     

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。     

电子束区熔定向凝固Nb基高温合金的组织和性能

研究了Nb-Si-Ti-Hf-Cr-Al-B-Y合金在电子束区熔炉上的定向凝固组织、室温断裂韧性和高温瞬时拉伸性能.合金的组织主要由Nb基固溶体(Nbss)、α-(Nb)5Si3和(Nb)3Si相组成.定向凝固后,初生Nbss枝晶以及Nbss α-(Nb)5Si3/(Nb)3Si层片状或棒状共晶团均沿着试棒轴线定向排列.当电子枪移动速率R=2.4 mm/min时,定向效果最好.定向凝固使合金在1250℃的拉伸强度及室温断裂韧性均显著提高.R=2.4 mm/min试棒的抗拉强度最高,达85.0 MPa,同时其室温断裂韧性也达到19.4 MPa·m1/2.     

Lightweight structure of a phase-change thermal controller based on lattice cells manufactured by SLM

Thermal controllers equipped with phase-change materials are widely used for maintaining the moderate temperatures of various electric devices used in spacecraft. Yet, the structures of amounts of thermal controllers add up to such a large value that restricts the employment of scientific devices due to the limit of rocket capacity. A lightweight structure of phase-change thermal controllers has been one of the main focuses of spacecraft design engineering. In this work, we design a lightweight phase-change thermal controller structure based on lattice cells. The structure is manufactured entirely with AlSi10 Mg by direct metal laser melting. The dimensions of the structure are 230 mm × 170 mm × 15 mm, and the mass is 190 g, which is 60% lighter than most traditional structures(500–600 g) with the same dimensions. The 3 D-printed structure can reduce the risk of leakage at soldering manufacture by a welding process. Whether the strength of the designed structure is sufficient is determined through mechanical analysis and experiments. Thermal test results show that the thermal capacity of the lattice-based thermal controller is increased by50% compared to that of traditional controllers with the same volume.