超大3D打印钛合金复杂零件试制成功

正经过200多个小时的持续工作,9月7日一个接近设备成形空间极限的超大尺寸钛合金复杂零件在昆明理工大学增材制造中心试制成功,这是迄今为止使用激光选区熔融方法成形的最大单体钛合金复杂零件。激光选区熔融是金属3D打印方法的一种,它以激光为热源,依照零件离散后的形状数据对铺好的金属粉末进行扫描,使金属粉末逐点熔化堆积,实现金属零件直接制造。通过这种方法制造出的金属零件力学     

基于CMT的钛合金电弧增材制造技术研究现状与展望

钛合金高强度、高耐热的特性决定了其在航空航天、船舶制造等领域的广泛应用,但由于钛合金的难加工性,使得传统锻造+机加的方式模具损耗严重、制造周期长。增材制造作为一种制造成本低、成形效率高的绿色化制造工艺,凭借其无需模具、直接成形的优势在钛合金制造领域受到国内外学者的广泛关注。电弧增材制造技术相较于其他增材工艺(如激光增材制造、电子束增材制造等)沉积效率更高,不受零件尺寸的限制,在大型和超大型结构件的制造中具有突出优势,其中基于冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)的电弧增材制造技术由于沉积过程更稳定、热输入量更低,已逐渐成为钛合金增材制造领域的研究热点。文中对基于冷金属过渡的钛合金电弧增材制造技术的研究现状进行综述,介绍钛合金打印件的微观组织和力学性能特征,总结分析了成形参数对打印件微观组织与力学性能的影响规律,并概述了形核条件调控、轧制和超声冲击等辅助技术对打印件微观组织与力学性能的影响机制,最后展望了钛合金CMT电弧增材制造的未来发展趋势。     

激光成形制备生物医用钛合金材料研究进展

激光成形制造技术是在快速原型技术的基础上结合激光加工技术发展起来的一项高新制造技术.它能够通过不同的加工方式调整结构及功能零件的性能,满足复杂致密或者多孔钛合金生物医用材料的成形需求,实现医用钛合金零件的个性化设计和制备,因此在医用钛合金人工肢体和植入体领域方面具有巨大的应用潜力.目前在制备生物医用钛合金材料领域研究较多的激光成形制造技术主要有激光立体成形和选择性激光烧结/熔化.本文综述了这两种激光成形制造在生物医用钛及钛合金制备方面的应用情况和研究现状,并指出了该领域未来的发展趋势.     

金属夹芯结构制造中的T型接头Stake焊接方法研究

T型接头的Stake焊接方法是实现金属夹芯板焊接制造的关键技术之一.为了论证焊接制造金属夹芯板的可行性,本文通过实验对比研究了在单一激光、TIG电弧和激光-TIG电弧复合等三种焊接工艺下,钛合金薄板T型接头Stake焊接焊缝成形特点及影响因素.结果表明,激光-TIG电弧焊是实现钛合金薄板T型接头Stake焊接的理想工艺,在焊缝组织、焊接效率、焊缝成形、间隙适应性等方面比单一激光或TIG焊接工艺有明显的优势,可以应用于金属夹芯板的焊接制造.     

激光立体成形高性能金属零件研究进展

激光立体成形技术是从20世纪80年代初期发展起来的一项先进制造技术,能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。该技术可以用于承受强大力学载荷的三维实体金属零件的快速制造,也可应用于具有较复杂形状和较大体积制造缺陷、误加工损伤或服役损伤零件的修复。主要围绕激光立体成形技术在追逐高力学性能方面的研究工作,综述了激光立体成形研究和应用的主要进展情况。对多种合金的大量研究工作表明：激光立体成形金属零件的综合力学性能同锻件相当,导致这样优越的力学性能的主要原因在于其材料组织致密、细小、均匀,可以通过优化成形工艺和热处理工艺而获得基本上没有冶金缺陷的状态。激光立体成形技术的主要应用对象是兼顾高性能和复杂结构的金属零件的制造和修复。实现高性能修复是激光立体成形技术最近的一个引人注目的研究进展,修复零件的力学性能可以仅在简单的退火热处理状态下即达到锻件力学性能标准,这使得过去认为不可修复的高性能重要金属零件具备了现实的修复技术途径,这必将是激光立体成形技术最有前景的应用方向之一。     

基于激光叠层制造的多孔医用植入支架的开发(英文)

研究多孔医用植入支架的数字化设计和激光叠层制造工艺制备方法。利用CT技术和Pro/Engineer 软件设计出具备个性化特征的多孔人工股骨模型和多孔心血管支架模型,然后采用钛合金粉末材料,由选区激光熔化工艺直接制备出来。结果表明,通过改进支架单元体的结构工艺性,可以避免添加支撑,所制备的多孔支架具有良好的贯通性。同时,若干问题也呈现出来,如单元体的几何精度较差。由于患者具备个体特征,叠层制造工艺所具备的自由设计有利于其在医学上的应用。随着设计、工艺、生物相容性等的进一步研究,将会开发出更多的支架并应用于临床。     

激光熔化沉积快速成形TA15钛合金电子束焊接头力学性能与组织

为了进一步探索激光熔化沉积快速成形TA15钛合金的焊接性能,通过对激光熔化沉积快速成形钛合金之间以及与普通板材TA15钛合金电子束焊接的研究,获得了电子束焊接头力学性能与显微组织。结果表明:在力学性能方面,激光熔化沉积快速成形制造TA15接头力学性能优良,焊接系数大于0.9;在组织方面,激光熔化沉积快速成形TA15之间、激光熔化沉积快速成形和板材TA15之间焊缝中心的显微组织均为网篮组织,拉伸断裂呈韧性断裂特征。     

激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展

激光选区熔化(SLM)技术与激光熔化沉积(LMD)技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力,但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题,影响了构件的力学性能,从而制约了其大规模的应用。针对这一现状,首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理,比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点,并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。其次,从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手,综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响,以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构,从而影响成形件的组织与力学性能。此外,综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响,可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异,同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。最后,探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响,通过合适的热处理能够降低成形构件应力,并调控组织相变和性能。     

激光成形金属零件技术在模具制造中的应用

快速原型制造技术(RP)可以根据三维CAD图形直接制造出具有复杂内部结构的工件，简化了产品工艺过程，大大节约了产品成本，提高了产品的生产效率。激光成形金属零件技术可以直接或间接制造出全密度、接近无需加工的产品，适合用于模具快速成形制造。介绍了激光熔覆成形和激光烧结的原理及工艺过程，并探讨了提高激光成形质量的一些措施。     

激光金属成形缺陷在线检测与控制技术综述

激光金属增材制造技术通过金属材料的激光逐层熔化堆积实现复杂零件的直接成形制造。激光金属成形零件易出现宏观缺陷以及内部冶金缺陷,严重影响零件的性能。综述了国内外激光金属成形零件宏观缺陷、内部冶金缺陷在线检测及缺陷控制技术的研究进展。分析指出目前普遍采用的熔池物理参数在线检测和反馈控制技术的主要作用是减少零件的宏观缺陷,但在消除内部冶金缺陷方面的作用是有限的。为了提高激光金属成形零件的关键力学性能,内部缺陷控制正逐渐成为激光金属成形领域新的研究热点。     

基于电弧的多能场复合增材制造技术研究现状

增材制造主要分为激光增材制造技术、电子束增材制造技术和电弧增材制造技术。相较于其他增材制造技术和传统加工方式,电弧增材制造技术具有成形速度快、成本低、材料利用率高,以及成形件化学成分均匀且性能优良等优势,被广泛应用于大型金属零件制造。电弧增材制造因具有多样化的应用方向,可以满足不同标准零部件的加工制造,已经逐步成为当下主流的零部件加工技术。主要介绍了单一热源(如钨极)气体保护增材制造技术、等离子弧增材制造技术、熔化极气体保护增材制造技术、冷金属过渡增材制造技术和多能场辅助电弧复合增材制造技术,包括磁场–电弧、激光–电弧和电场–电弧等复合增材制造技术等。从宏观形貌、微观组织和力学性能3个角度出发,分析了工艺参数或工艺自身特性对增材制造成形件宏观形貌的影响,讨论了成形件显微组织演变机制及其力学性能,同时提出了单一热源与多能场辅助电弧增材制造技术在现阶段存在的问题,并给出了建议。     

基于冷金属过渡的电弧增材制造钛合金螺旋桨成形机理及组织性能

通过对基于冷金属过渡(CMT)的电弧增材制造成形过程中电弧形态、电流电压同步信号和熔池形貌的同步检测分析,研究了电弧不同阶段的熔滴过渡形式和熔池金属的受力状态,探明了悬垂结构成形过程中的熔池金属的受力机制,实现了钛合金螺旋桨的成形,并分析成形后的组织性能。研究结果表明,通过对CMT电弧热输入和电弧力的精细控制,能够在无支撑条件下实现螺旋桨叶片的快速成形,同时获得良好的力学性能。在本研究条件下,钛合金CMT增材制造过程中熔滴过渡主要以短路过渡的形式进行,降低基值和短路阶段的焊接电流能够增加悬垂结构倾角,且当I基值/I峰值小于0.3时,钛合金螺旋桨最大倾角达到53.26°。基于优化后的工艺成形船用Ti6321合金,内部组织致密且无贯穿式的粗大柱状晶,力学性能达到同级别锻件标准,水平方向和竖直方向的各向异性不明显。     

Additive manufacturing technologies of porous metal implants

Biomedical metal materials with good corrosion resistance and mechanical properties are widely used in orthopedic surgery and dental implant materials,but they can easily cause stress shielding due to the significant difference in elastic modulus between the implant and human bones.The elastic modulus of porous metals is lower than that of dense metals.Therefore,it is possible to adjust the pore parameters to make the elastic modulus of porous metals match or be comparable with that of the bone tissue.At the same time,the open porous metals with pores connected to each other could provide the structural condition for bone ingrowth,which is helpful in strengthening the biological combination of bone tissue with the implants.Therefore,the preparation technologies of porous metal implants and related research have been drawing more and more attention due to the excellent features of porous metals.Selective laser melting（SLM）and electron beam melting technology（EBM）are important research fields of additive manufacturing.They have the advantages of directly forming arbitrarily complex shaped metal parts which are suitable for the preparation of porous metal implants with complex shape and fine structure.As new manufacturing technologies,the applications of SLM and EBM for porous metal implants have just begun.This paper aims to understand the technology status of SLM and EBM,the research progress of porous metal implants preparation by using SLM and EBM,and the biological compatibility of the materials,individual design and manufacturing requirements.The existing problems and future research directions for porous metal implants prepared by SLM and EBM methods are discussed in the last paragraph.     

基于快速测量的曲面多点成形精度控制

在板类件多点成形中,由于板料回弹、工件定位等因素,成形后的工件曲面与目标模型之间存在误差。文章通过激光快速扫描测量获得成形后工件的三维形状点云数据,经平滑去噪后,用对异常点不敏感的鲁棒最小二乘法进行B样条曲面拟合。将重构的曲面与目标模型配准计算后将曲面误差反馈到多点CAD系统,根据该误差进行回弹补偿、闭环修正工件曲面误差,并给出应用实例。结果表明,基于快速测量的曲面多点成形精度控制技术充分利用了多点成形的快速性的特点,通过三维空间形状反馈,来提高多点成形的精度。     

增材制造W-Ni-Fe系高比重合金的研究进展

金属增材制造技术是从20世纪90年代初期发展起来的一项先进制造技术,能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。高比重W-Ni-Fe合金由于具有高密度、高强度和高塑性等特性,广泛应用于国防工业和国民经济领域。近年来,W-Ni-Fe高比重钨合金的增材制造受到了广泛关注。本文综述了国内外研究机构采用选区激光熔化(SLM)技术、激光熔化沉积(LMD)技术、选区电子束熔化(EBSM)技术和粘接剂喷射打印(BJP)技术4种增材制造技术制备W-Ni-Fe合金的研究进展,从成形工艺、成形件微观组织和力学性能等方面进行了分析,并对未来研究趋势做了预测。     

Study of metal injection molding of highly porous titanium by physical modeling and direct experiments

The prospects of metal injection molding (MIM) technique for manufacturing of highly porous titanium parts was studied by physical modeling, based on feedstock warm compaction experiments. The space holder method and typical MIM binder were used in all cases of the study. The influence of the starting powder (dehydrided and atomized) in feedstock on resulting properties of porous titanium was investigated. The size of space holder particles and space holder amount were adjusted to obtain porosity and pore size desired for medical implants application. NaCl and KCl were studied and compared as prospective space holder materials. The porous samples were characterized regarding their microstructure, uptake of interstitial contents and mechanical properties. For comparison, same investigations have been conducted on samples, which were prepared by established space holder technology based on cold isostatic pressing (CIP) and sintering. Finally, first direct MIM experiments and attempts of feedstock optimization were carried out. The peculiarities and problems of metal injection molding of highly porous titanium have been discussed.     

不锈钢增材制造件的激光超声表面波声速研究

利用激光超声技术对增材制造件进行无损检测具有重要的理论和应用价值。因此,针对不同激光功率下制备的316L不锈钢增材制造样品进行试验。利用激光超声在样品不同成型方向上测试,对表面波声速进行了表征。结果表明:不同激光功率下制备的316L不锈钢增材制造件的成型质量与表面波传播速度有着密切的关系,而且同一增材制造件在不同成型方向上的表面波声速也有明显的差异,具有各向异性。实验结果对研究316L不锈钢增材制造材料的表面声学特性以及金属增材制造材料的激光超声质量检测具有重要参考价值。     

选区激光熔化3D打印钛基复合材料研究进展

选区激光熔化(SLM)3D打印技术是近年来快速发展的金属增材制造技术,因其可设计性、快速净成形复杂构件、高表面质量等优势,拥有广泛应用前景。基于SLM工艺制造的钛基复合材料通常可得到纳米级陶瓷增强相,获得比钛合金更优异的性能,成形构件力学性能优于铸件锻件水平。本文综述了近年来基于SLM工艺制备钛基复合材料的发展现状,以陶瓷增强体的选择为切入点,阐述其典型微观组织特征及演化规律,探讨其性能表现,分析其特有的强化机制,并在此基础上,对未来尚需解决的关键性学术问题和发展方向进行了展望。