激光增材制造过程数值仿真技术综述

数值仿真是研究激光增材制造过程中各类物理现象、揭示零件缺陷形成机理、优化增材制造工艺参数的重要手段,该领域学者针对增材制造过程中的热分析、金属粉末颗粒性质分析、微观结构分析、质量缺陷成因分析等方面,开展了大量研究,提出了相应的数学模型和方法。激光增材制造过程的数值仿真是一个在空间和时间上均跨越多个尺度的复杂问题,微观、介观、宏观尺度下数值仿真所关注的对象和所使用的方法各不相同;多数研究聚焦于某一尺度下的过程仿真,另一部分研究则基于不同模型的数据关系建立模型间的耦合关系,实现热-相、热-力的综合分析。对现阶段激光增材制造数值仿真领域的主要技术进行了综述,在梳理数值仿真基本流程的基础上,对其中涉及的热源模型,粉末模型,力学模型以及微观结构模型进行了介绍,讨论了其特点和适用性;结合相关技术领域的发展,探讨了激光增材制造数值仿真技术的发展方向,旨在为本领域的技术研究与发展提供参考。     

圆化处理法制备高效大尺寸多晶黑硅太阳电池

采用金属辅助化学腐蚀法制备了多晶黑硅,并研究了极低浓度NaOH溶液对扩孔后黑硅结构的圆化作用及其对多晶黑硅太阳电池性能的影响。用扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和量子效率(Quantum efficiency, QE)测试仪对黑硅表面形貌及黑硅电池性能进行了表征。结果表明,利用极低浓度的NaOH圆化扩孔后黑硅的尖端及棱角可以减少表面复合的影响。处理后的黑硅表面孔洞均匀且平滑,黑硅太阳电池400~900 nm可见光波段平均反射率为4.15%,批量生产的电池平均转换效率达到17.94%,比常规酸制绒工艺制备的电池平均转换效率提高了0.35%。     

微小碎片对航天器舷窗玻璃损伤状况的跟踪研究

空间微小碎片环境比较复杂,其来源包括人为产生的碎片及微流星体。空间微小碎片不仅速度较高,而且数量庞大。它们频繁撞击航天器外表面,包括舷窗部位,特别是对航天飞机舷窗已造成巨大危害,使长期服役的国际空间站舷窗玻璃存在安全隐患。文章简要介绍了空间微小碎片对航天飞机和空间站舷窗玻璃的损伤状况,以及NASA对此做出的改进措施,这些跟踪研究成果可为我国长寿命、高可靠航天器舷窗结构设计提供参考依据。     

BT16钛合金渗氢后的针状物生成及演化过程

为了深入了解渗氢对BT16钛合金组织的影响,以获得具有优良冷镦性能的组织,采用光学显微(OM)分析和X射线衍射(XRD)分析等方法,研究了BT16钛合金渗氢后的微观组织和相组成。结果表明：BT16钛合金在780 ℃渗氢的过程中发生了α+β相到β相的转变,冷却后生成了魏氏体组织,α相在不同通氢时间的试样中均存在,且含量随通氢时间的增加而降低,渗氢过程中出现了氢化物相。说明渗氢导致BT16钛合金α+β相到β相的临界转变温度降到800 ℃以下,氢含量影响了氢化物的存在形式,随着氢含量的增加,TiH相最先出现,随后出现TiH_1.5和TiH₂相,这些钛氢化合物均为针状。     

Phase Equilibria in Nb-Si-Mo Ternary Alloys at 1 273 K and 2 073 K

Phase equilibrium in Nb-Si-Mo ternary alloys （〈37.5 at.% Si） at 1 273 K and 2 073 K is investigated by using X-ray diffraction （XRD） analysis, scanning electron microscopy （SEM） and energy dispersive spectroscopy （EDS）. The partial isothermal section at 1 273 K, which contains four single-phase regions, five two-phase regions and two three-phase regions, is basically the same as that at 1 973 K. However, when the temperature increases to 2 073 K, the three-phase region of Nbss＋ct-（Nb（Mo））sSi3＋13-（Nb,Mo）sSi3 obviously moves towards the Nb-rich comer. This suggests that Nb-Si-Mo ternary alloys remain stable at least up to 1 973 K.     

热等静压后炉冷对K488合金显微组织和力学性能的影响

采用热等静压及不同的热处理工艺对铸造高温合金K488进行了处理,研究了不同工艺方法对合金微观组织、高温拉伸性能和持久性能的影响。结果表明:与铸态合金相比较,经过1180℃/150MPa/4h热等静压并炉冷后,枝晶干区γ'相形态不规则,数量减少,枝晶间区γ-γ'共晶体仍然存在,900℃拉伸和持久性能降低。热等静压试样再经过标准热处理(1170℃/4.5h固溶 1050℃/4.5h时效 850℃/16 h时效)后,枝晶杆区γ'相的形态从不规则形态恢复到近立方状,分布也变得更均匀,枝晶间区γ/γ'共晶体完全消失,使900℃拉伸和持久性能得到提高并超过铸态合金的。不同工艺状态中,标准热处理试样的枝晶杆区γ'相尺寸最细、分布最均匀,力学性能最高。     

金属激光增材制造过程数值模拟

金属激光增材制造过程中,热应力导致零件发生形变;气孔与熔合不良等缺陷降低零件的拉伸以及疲劳性能;熔池内的凝固微观组织,尤其是柱状晶等轴晶转变(Columnar to Equiaxed Transition,CET)是影响零件性能的重要因素。针对上述3个方面,回顾了金属激光增材制造数值模拟的发展历史,对其研究现状和存在问题进行了评述,阐述了金属激光增材制造过程中所采用的数值模型和数值方法,包括热应力分析的有限元(Finite Element Method,FEM)方法、模拟熔池金属液流动的计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD),以及凝固微观组织模拟的相场法(Phase Field,PF)和元胞自动机方法(Cellular Automaton,CA)。在此基础上对金属激光增材制造过程数值模拟的前景及趋势进行了展望。     

C含量对第二代单晶高温合金组织的影响

在高温度梯度真空定向凝固炉中,制备不同C含量的单晶高温合金,研究不同C含量对第二代单晶高温合金显微组织的影响。结果表明:C含量对合金枝晶间距的影响较小;随着C含量增加,共晶含量和尺寸减小,碳化物含量增加,其形貌由块状向骨架状、汉字状转变;随着C含量增加,Ta元素枝晶偏析减轻,Re,W,Mo,Nb元素枝晶偏析加重;C含量对铸态和热处理γ'相尺寸和形貌影响较小;热处理后碳化物的形貌无明显变化。     

钴基钎料钎焊K465合金大间隙接头组织与性能

采用Co45Ni Cr WB钴基钎料,预填FGH95镍基合金粉,在1220℃不同保温时间下对K465高温合金进行0.5 mm大间隙真空钎焊实验,研究钎缝组织构成及不同保温时间对钎缝组织与接头性能的影响。结果表明:钎缝组织由合金粉颗粒及颗粒间硼化物相构成,颗粒内为γ和γ'双相组织和少量小块状硼化相,颗粒间是高Cr,W和Nb的硼化物相;钎焊时随保温时间延长合金粉长大,化合物相合并长大;合金粉比例高、保温时间适当获得钎缝中化合物相细小弥散分布,对接头性能有利;钎焊保温30~60 min时接头持久性能较高。     

双层涂层复合材料的介电性能

在涤纶基布上分别进行铁氧体/碳化硅、碳化硅/石墨双层复合涂层整理,制备两种双层涂层柔性复合材料.分别研究吸波剂含量对复合材料介电常数实部、虚部、损耗角正切的影响.鉴于该材料多用于工程领域,测试了该复合材料的机械性能.结果表明,该复合材料在低频范围内具备良好的介电性能,且具备一定的力学性能.