电弧增材制造金属点阵结构研究进展

金属点阵结构是一种轻质多功能结构,具有高比强度、高比刚度、抗爆吸能、减振降噪等优势,在飞行器、船舶、车辆、建筑等领域具有广泛的应用前景。然而,迄今为止点阵结构件的应用规模仍然十分有限,主要原因是受到制造技术的严重制约。电弧增材制造技术因其离散堆积的成形特点有望实现点阵复杂结构的一体化高效低成本制造。综合分析了电弧增材制造金属空间杆结构与点阵结构的研究现状,从制造原理、成形工艺与方法、制造特点等方面进行论述,并归纳了现阶段各研究机构对于金属点阵电弧增材制造的研究进展。最后介绍了电弧增材造金属点阵结构存在的掣肘,重点分析了现有电弧增材制造在点阵制造与成形控制方面的研究进展与不足,指出了未来电弧增材制造金属点阵结构的主要发展方向。     

多孔金属激光增材制造研究进展

激光增材制造技术具有柔性化程度高、适应性强、材料利用率高、近净成形等特点,被广泛的应用于兼具功能和结构作用的多孔金属的制备。多孔金属激光增材制造技术按孔形成机制的不同可分为直接成孔法、添加造孔剂法以及结构设计成孔法。在介绍多孔金属激光增材制造国内外研究现状的基础上,指出各制备工艺的特点,并展望了多孔金属激光增材制造技术的发展趋势。     

脉冲激光辅助激光增材制造研究进展

针对辅助脉冲激光作用在固相区的情况,分别论述了非同步式表面、非同步式层间以及同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺特点,分析了增材制造构件组织、成形缺陷以及应力分布的调控机理,并系统对比了非同步式和同步式脉冲激光辅助激光增材制造的调控效果,总结了同步式脉冲激光辅助激光增材制造的工艺优势.针对辅助脉冲激光作用在熔池区的情况,研究了脉冲激光功率密度、频率对熔池热动力学行为的作用机理(Marangoni对流、超声波搅拌空化、冲击波效应等),进而明晰了辅助脉冲激光冲击熔池对增材制造构件组织、成形缺陷的影响机理.最后,对脉冲激光辅助激光增材制造技术的研究进展进行了总结,并对下一阶段的发展方向进行了展望.     

金属激光增材制造材料设计研究进展

激光增材制造被公认为是解决个性化、复杂化金属构件整体成形难题的有效技术手段。现有金属增材制造的研究主要从传统合金牌号出发,但基于平衡凝固过程设计的传统合金成分难以满足增材制造的非平衡冶金动力学特点,往往面临高裂纹敏感性、低韧低疲劳、各向异性等共性问题。因此,需要开展面向激光增材制造的新型材料成分设计研究,充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潜在优势与价值。本文综述了铝合金、钛合金、铁基合金、镁合金等不同材料现有合金牌号增材制造的技术瓶颈,以及面向增材制造的材料创新设计方法与新型合金及其复合材料发展的研究进展。最后提出了金属增材制造材料设计的未来发展趋势。     

激光增材制造铝合金微观结构及性能研究进展

随着现代制造业对材料性能和生产效率的追求,激光增材制造技术因其独特的优势成为研究热点。由于铝合金性能优异,激光增材制造铝合金得到了广泛应用。系统阐明了激光增材制造铝合金的微观组织、耐腐蚀性能、力学性能以及缺陷分析和未来发展趋势。探讨了四种不同类型的激光增材制造铝合金的微观组织。研究表明,激光增材制造过程中的非平衡凝固和大温度梯度导致了与传统铸造工艺不同的微观结构。在耐腐蚀性能方面,激光增材制造铝合金表现出了较好的耐蚀性,这是由于激光增材制造铝合金微观结构的均匀性和晶粒细化而具有潜在的优势。在力学性能方面,激光增材制造铝合金因其细小的晶粒尺寸展现出优异的力学性能,并指出通过优化工艺参数可以进一步提高铝合金的性能。最后,指出激光增材制造铝合金在孔隙率和裂纹等缺陷控制方面仍面临挑战,并提出了未来的发展方向。     

NiTi形状记忆合金激光增材制造研究进展

NiTi形状记忆合金卓越的功能特性,生物相容性,高阻尼及低刚度,耐腐蚀等性能,深受广泛关注。NiTi形状记忆合金制备、加工困难,成为阻碍NiTi形状记忆合金应用的关键。近20年发展起来的增材制造技术,能直接成形制造复杂的NiTi形状记忆合金结构,在航空航天、医疗设备等领域具有巨大应用价值和发展前景。本文结合国内外NiTi形状记忆合金激光增材制造研究中面临的主要问题和解决方法作综合评述。具体包括NiTi形状记忆合金传统制造和激光增材制造对比;激光能量输入和热处理工艺对激光增材制造NiTi形状记忆合金微观组织、机械力学性能和功能特性的影响;及展望未来激光增材制造NiTi形状记忆合金研究方向。     

激光增材制造难熔金属研究进展

难熔金属由于具有优异的综合性能而广泛应用于航空航天、装备制造、核工业及生物医疗等领域。但是由于高熔点及高韧脆转变温度的特点,尚存在加工制造困难、生产周期长、对设备要求高等问题,从而限制了其应用与发展。激光增材制造是近年来新兴的数字化制造技术之一,为制造和加工难熔金属提供了新的发展思路。本文重点介绍了近年来激光增材制造难熔金属的热点领域,包括钨及钨基重合金、纯钼及钼硅硼合金、铌硅及铌钛合金和多孔钽,对尚存在的问题进行了总结,最后对激光增材制造难熔金属未来的发展方向进行了展望。     

激光增材制造能耗与碳排放研究进展

激光增材制造是一类先进的增材制造技术,具有加工自由、工序简单、成本低等诸多优势。目前,激光增材制造技术受到学者们的青睐,已广泛应用于航空航天、交通运输、生物医学等领域。随着全球制造业的发展,能源消耗日益增加,大量温室气体的排放,使得环境问题愈发严重。介绍了激光增材制造的主要类型和工艺特点,基于激光金属沉积和激光粉末床熔融2类技术分支,分析了该技术的先进性和发展潜力。总结了激光增材制造能耗建模的主要方法,基于生产系统和能量类型,综述了能耗建模与工艺参数优化的研究进展。对比了现有工业碳排放的测算与建模方式,指出生命周期法在增材制造碳排放研究中的优势,重点分析了运用该方法建立激光增材制造碳排放模型的基本步骤。从模型准确性和工艺参数优化效果等方面出发,介绍了激光增材制造及相关碳排放技术的研究案例。在此基础上,归纳了目前激光增材制造及相关能耗与碳排放研究内容,展望了未来的发展方向,以期为激光增材制造的节能、低碳、绿色生产提供参考。     

铝合金点阵结构电弧增材制造技术及应用

电弧增材制造技术是制备点阵结构的有效方法。研究了点阵结构电弧增材制造装备、铝基药芯焊丝设计与制备技术、激光约束电弧工艺和点阵杆件直径、角度控制方法,制备了典型点阵结构示范件。点阵结构电弧增材制造装备由增材制造单元、激光单元与监测单元组成。设计自生Al2O3相铝合金药芯丝材Al-Cu-NiO合金体系,制备出直径1.2 mm的药芯丝材,堆积杆件具有较低的热导率。激光激发大量中性粒子电离,使电弧中的带电粒子大幅度增加,对电弧存在约束和稳定作用,提高成形精度。控制电弧增材制造熔滴体积与个数,可制备直径为2.5～7.0 mm的点阵单元杆件。控制电弧增材制造电弧枪纵向与横向运动量,可制备角度为15°～90°的点阵单元杆件。利用点阵结构电弧增材制造技术实现了平面点阵结构、圆柱面点阵结构和曲母线面点阵结构的高精度成形,点阵结构的平均压缩强度为58.53 MPa,具有较高的承载性能。在点阵测试件的上表面施加均匀热源,热源温度为500℃,时间600 s,测试件下表面温度约93℃,具有较高的隔热性能。     

激光增材制造金属零件内应力调控研究现状

激光增材制造技术可以直接成形出任意复杂结构且性能优异的金属零件,但激光增材制造过程中瞬态的熔化/凝固熔覆层所致的内应力,导致成形零件变形和开裂,是长期制约高性能大型金属零件激光增材制造发展和应用的瓶颈,更是决定该技术优势能否得以充分发挥并走向工程应用的基础。详细介绍了辅助激光增材制造技术调控成形零件内应力问题研究现状,阐述各技术特点及优缺点,为解决内应力造成零件易于变形开裂的\"控形\"难题提供借鉴。     

含缺陷点阵结构的力学性能影响研究

随着3D打印(增材制造)的快速发展以及航空航天对轻量化结构设计的迫切需求,多孔结构尤其是周期性的点阵结构得到了越来越多的重视。由于当前3D打印工艺水平还不够成熟,打印的点阵结构不可避免地出现各种缺陷,因此需要对含缺陷的点阵结构进行性能评估。首先开展了不同位置点阵杆件缺失对结构力学性能的影响,实验和有限元结果表明中心部位的单根杆件缺失时结构的力学性能下降最多。在此基础上,建立了中心部位杆件的缺失数量与结构力学性能之间的关系表达式。该结果可以为点阵结构在实际工程结构中的应用提供指导。     

桁架式三维点阵结构的参数化建模与增材制造

对桁架式三维点阵胞元进行分析并建立了体心立方胞元库数学模型,采用激光选区熔化成形技术实现了TC4钛合金三维点阵结构的制备。建模分析发现,当杆长越大、杆径和夹角越小时,点阵结构的综合几何特性越优。基于激光选区熔化成形的三维点阵结构成形试验发现,三维点阵的应力、变形均呈现周期性分布现象,点阵与基材接触部位存在较大的应力累积,同时点阵结构边缘位置存在局部变形。     

基于VMD分解的激光超声增材制件表面缺陷检测

增材制造作为新一轮工业革命的标志性技术之一,被世界各国列为未来产业发展的新增长点进行重点培育。但是在增材制造加工过程中,其表面质量难以控制,易产生缺陷。利用激光超声纵波对增材缺陷试件进行对心检测,同时采用变分模态分解方法对缺陷信号进行处理。试验结果表明,该方法可以明显提高缺陷信号信噪比,实现对增材制件的有效检测,为增材制件在线检测打下坚实基础。     

激光增材制造过程中激光与粉末的相互作用研究现状∗

激光增材制造是通过激光加热熔化粉末或丝材并逐层叠加而形成所需工件的一种增量制造技术。该技术涉及非常复杂的非平衡物理和化学冶金过程,在加工过程中易产生非平衡组织和晶粒取向。激光与粉末的相互作用过程是整个加工过程中最为重要的部分,系统总结激光与粉末的相互作用对于增进对激光增材制造技术的理解,进而提升工件性能具有重要的意义。按照送粉式与铺粉式激光增材制造两种加工方式,分析了激光能量的衰减、粉末颗粒温度的上升以及激光-粉末-熔池的相互作用,综述了激光与粉末相互作用的研究现状。     

增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展

增材制造技术成形Ti-6Al-4V点阵材料具有高强度、低密度、生物相容性好的性能特点,在航空航天、生物医疗、海洋等领域具有极大应用潜力。本文概述了近年来增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展,重点对选区激光熔化(SLM)和电子束选区熔化(SEBM)技术成形点阵材料的力学性能、失效行为、微观组织进行分析与总结。研究发现,SLM和SEBM技术均可获得保留原始结构特征的点阵材料,且增材制造骨骼型Diamond 极小曲面Ti-6Al-4V点阵材料抗压强度可达到411.71 MPa,屈服强度达到317.48 MPa,强度可与镁合金相媲美;点阵材料失效行为主要有45°剪切断裂以及水平断裂,剪切断裂型点阵材料强度较高,在承载方面具有独特优势,而呈水平方向断裂的点阵材料多为梯度型点阵材料,其应力应变曲线波动范围较小,在能量吸收能力方面表现出明显的优势;热处理可有效消除增材制造过程中带来的残余应力、降低粗糙度、转变亚稳、针状α\"马氏体为α+β相,进而增加点阵材料的塑性,且不降低甚至提高部分Ti-6Al-4V点阵材料的强度。最后,对增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的现存弊端以及未来发展趋势进行了展望。     

Effect of Laser Oscillation on the Microstructure and Mechanical Properties of Laser Melting Deposition Titanium AlloysEI北大核心CSCD

针对激光熔化沉积冶金组织与缺陷,借鉴激光摆动焊接技术,提出一种激光摆动送粉增材制造TC4钛合金工艺,借助激光原位摆动改变熔池运动轨迹进而影响温度梯度和凝固速率,改善增材制造钛合金的微观组织。利用OM、SEM、EBSD和Vickers硬度计研究了激光摆动送粉增材制造工艺对TC4钛合金微观组织演变及力学性能的影响。结果表明,无摆动激光熔化沉积实验的最佳工艺参数为:激光功率1000 W,扫描速率8 mm/s,送粉速率6.92 g/min;直线型激光摆动的最佳工艺参数为:摆动频率200 Hz,摆动幅度1.5 mm。直线型激光摆动对熔池形貌改善显著,气孔和裂纹等缺陷较少,柱状晶数量和尺寸均有所减小,并且晶粒出现了等轴化的现象。相比无摆动样品,激光摆动后Ti-6Al-4V合金单道区域平均晶粒尺寸从5.20μm减小到4.37μm;硬度从418.00 HV提升到428.75 HV。     

增材制造金属零件超快激光抛光技术研究进展

增材制造（AM）具有加工步骤简单、可原位制造、可定制零件等突出特点,在航空航天、生物医疗、汽车制造等领域获得了广泛认可。但是增材制造的金属零件表面粗糙度较高、成形尺寸精度较差,需要进行表面抛光才能使用,这限制了该技术优势的发挥。如何突破这一技术瓶颈成为当前的研究热点,原位抛光是其中一个分支。基于此,综述了超快激光抛光增材制造金属零件的新进展。概述了金属增材制造的主要工艺、零件表面的主要缺陷以及主要的抛光技术,总结归纳了传统激光抛光的不足和超快激光抛光的加工优势;重点综述了金属的超快激光抛光发展、超快激光抛光机制、金属AM零件的超快激光抛光发展现状、设备集成发展等方面的内容;最后指出了超快激光抛光增材制造零件及其设备的发展方向,对该技术将得到广泛应用的前景进行了展望。本文填补了在增材制造金属零件表面超快激光抛光方面的综述空白。     

皮秒/纳秒脉冲激光抛光对激光选区熔化TC4表面完整性影响

以激光选区熔化 TC4 钛合金薄壁结构件为研究对象,采用皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光进行激光抛光,旨在探究不同激光抛光方式对增材制造的钛合金表面性能的影响。两种激光加工参数均为优化后的工艺参数,且均为高斯光源。对抛光后的表面形貌、表面粗糙度、热影响层深度、元素分布、氧化程度和试样的拉伸性能进行对比分析。结果表明皮秒脉冲激光和纳秒脉冲激光均可以显著改善增材制造 TC4 钛合金的表面质量,降低表面粗糙度,从原始的 3.52 μm 下降至皮秒抛光的 0.71 μm 或纳秒激光的 0.66 μm。纳秒脉冲激光具有更高的热积累,表面氧化程度高,热影响层深,约为 34.20 μm,比皮秒脉冲激光热影响层深度增大约 40.9%。拉伸试验结果表明,虽然激光抛光略微降低了激光选区熔化增材制造钛合金的拉伸性能, 但是纳秒脉冲激光抛光后试样的拉伸强度和拉伸应变下降更显著。本研究为激光抛光在增材制造中的应用提供了深入的试验分析和理论探讨,为进一步扩展皮秒脉冲激光在高性能金属零件的制备提供了新思路和方法。     

环形激光熔覆技术研究现状及展望

环形激光熔覆技术是一项利用中空环形的聚焦高能激光束和光内输送的熔覆材料同轴耦合作用于基体表面的典型材料沉积加工技术。与传统激光熔覆技术相比,它在激光能量利用率、熔覆材料沉积率、光料耦合精度、熔覆过程稳定性和熔覆层结合质量等方面均有大幅度提升,因此备受关注。介绍了基于传统激光熔覆技术发展而来的各类典型加工头的工作特点,在此基础上概述了环形激光熔覆技术的原理和技术优势,进一步分析了环形激光熔覆加工头内部的光路结构对环形激光熔覆技术的影响。重点综述了典型的环形激光熔覆加工头内部的光路结构与聚焦光斑形态之间的关系,基于不同的光路设计原理,对目前具有代表性的加工头进行了分析和归纳,对各类加工头的工作特点进行了论述和总结。除此之外,还分析了焦斑形态变化和能量分布对光料耦合过程的影响,总结了基于环形焦斑辐照下的熔覆材料在不同状态(固相和液相)的典型沉积应用。最后对环形激光熔覆技术未来在激光金属沉积领域的潜在应用及发展趋势做出展望。     

金属增材制造工艺、材料及结构研究进展

金属增材制造技术相比于传统制造技术有很大的优势,已经在很多领域得到了应用。基于金属增材制造工艺、材料以及结构的研究现状,分析当前的研究热点以及发展趋势。结果表明：金属增材制造当前的研究热点是材料应用、仿真模拟、智能检测和热处理强化,而且质量评估没有统一的标准;金属增材制造未来发展的趋势是建立标准材料工艺数据库、多材料打印工艺研发、仿真优化模拟、智能化监测管理和热处理强化工艺研发。