激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力

增材制造（3-D打印）作为一种近净成形技术，为钛合金薄壁件高质量毛坯制造提供了新途径，但在薄壁件成形过程中产生的变形与残余应力会影响试件的成形质量与后续加工。为了解决这一问题，采用激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件，研究了激光功率、扫描速率、薄壁厚度和扫描路径方向对试件变形与残余应力的影响，测量了试件不同深度的表面残余应力。结果表明，变形主要在薄壁件顶层两侧，最大残余应力主要分布在试件底层与薄壁件中间；当激光功率为180W、扫描速率为1200mm/s时，试件变形最小；当壁厚为0.6mm、扫描路径方向45°时，试件残余应力最小；薄壁件的未处理表面残余应力大于内层表面残余应力。该研究为钛合金薄壁高质量毛坯制造提供了技术帮助。     

激光增材制造工艺参量对熔覆层残余应力的影响

为了探究工艺参量对激光增材制造熔覆层残余应力影响规律，采用数值模拟及实验验证相结合的方法，取得了激光增材制造熔覆层截面深度方向上沿扫描路径y方向和垂直扫描路径x方向上残余应力的分布规律，并在此基础上进行了不同工艺参量对y方向和x方向应力场影响分析。结果表明，在一定参量范围内，随着熔覆层深度的增加，y方向残余应力均表现为拉应力，呈现先增大后降低趋势，在熔覆层顶部约0.2mm处存在最大拉应力为262MPa；x方向由压应力逐步转变为拉应力，其略小于y方向应力值；随着激光功率的增大，x方向残余应力逐渐增大，y方向残余应力逐渐降低；随着扫描速率的增大，x方向的残余应力将随之减小，而y方向的残余应力将随之增大；随着送粉量的增大，x方向和y方向的残余应力均将随之增大。此研究为降低激光增材制造熔覆层残余应力及工艺参量优化选择提供了指导。     

水轮机叶片激光增材再制造的温度场与应力场仿真研究

水轮机转轮及叶片为水轮机的核心构件，但在水轮机长时间运转过程中易出现不同程度的空蚀现象。激光增材再制造技术由于具有效率高、热输入低、结合性能好等特点，可作为该类缺陷的有效修复手段。建立水轮机叶片激光增材再制造三维有限元模型，计算激光增材再制造区域温度场和应力场的瞬态分布规律。结果表明，激光增材再制造过程对水轮机叶片的温度、应力和应变影响主要集中在增材再制造区域附近。单道激光增材再制造热影响范围约为10 mm,四道激光增材再制造热影响范围上升至25 mm。此过程所产生的变形极小，在完成四道激光增材再制造后，中心横截面所产生的最大变形为0.15 mm,对水轮机叶片整体影响不大。     

激光内送粉变姿态增材制造薄壁墙的试验研究

为了探索在非水平基面上激光增材制造薄壁件的成形规律，拓展激光增材修复技术的广泛应用。基于激光内送粉技术，分别在0°～150°的倾斜基板上进行薄壁件的成形试验，研究了不同倾斜角度下薄壁墙的成形规律，并分析了非水平基面下熔池的受力规律。试验结果表明：随基板倾斜角度的增大，薄壁墙的总体宽度及高度增大，熔池长度变短；随着基板倾斜角度的增大，成形件尾部塌陷越来越严重，在基板角度150°时，产生最大角度为21°的斜坡。该研究结果可以为非水平基面上激光增材制造及修复提供参考价值。     

激光工艺参数对激光熔化沉积纯钛样品残余应力的影响

采用同轴送粉激光熔化沉积技术制备了纯钛构件,并利用小孔法对样件扫描面不同部位的残余应力进行了测试,研究了激光功率、扫描速度及送粉率对样件扫描面上残余应力分布的影响。研究结果表明:沉积件与基材结合区为残余压应力区,其他区域为拉应力区,且底部与基材结合区域的残余应力最大,顶部残余应力最小;沉积件底部与基材结合区域的残余应力受激光工艺参数的影响较大,而顶部区域受激光工艺参数的影响较小。通过合理地选取激光工艺参数可有效降低沉积件的残余应力。     

扫描路径对激光修复钛合金残余应力与变形的影响

为降低激光沉积修复钛合金基体的残余应力与变形,采用有限元参数化设计语言研究了不同激光扫描路径对修复基体残余应力与变形的影响,模拟了不同扫描路径下修复基体残余应力及不同修复层残余应力的分布情况,并对原因进行了分析。结果表明:不同扫描路径下基体两端残余应力值较大,修复层残余应力值两端高,中间低,采用层间交错扫描路径时,各修复层残余应力值大小和波动幅度降低,修复件表面平整度值最小。采用压痕法对不同扫描方式下修复件表面残余应力进行了测定,得到了不同扫描路径下基体变形曲线,并与模拟结果进行了比较,两者吻合较好,为提高激光修复质量提供了参考依据。     

扫描方式对激光金属直接成形DZ125L高温合金薄壁件开裂的影响

为了消除激光金属直接成形DZ125L高温合金薄壁件中的裂纹,研究了激光扫描方式对薄壁件(单道多层)熔覆层应力分布和开裂的影响。对比了两种扫描方式(单向扫描和往复扫描)对薄壁件的应力分布和开裂的影响。模拟和实验结果表明,单向扫描方式下薄壁件的应力分布不均匀,引起薄壁件的两端出现严重的翘曲且中间部分出现裂纹;往复扫描方式下薄壁件的应力分布相当均匀,没有出现翘曲和裂纹,熔覆层表面比较平整。     

GH4169薄壁零件表面损伤的激光沉积修复试验研究

研究了不同基体厚度和扫描方式对激光沉积修复(LDR)GH4169合金修复件的残余应力、微观组织及拉伸性能的影响。结果表明,基体厚度越小,即修复体厚度越大,残余应力和枝晶间析出的Laves相体积分数就越大,室温抗拉强度和断后伸长率则越小。试验表明,短边扫描有利于提高激光沉积修复GH4169合金的室温拉伸性能。     

激光增材修复TC4钛合金不同方向组织及性能研究

对TC4钛合金激光增材修复试样进行不同方向的组织、显微硬度及室温拉伸性能分析。结果表明：激光增材修复区为典型的网篮组织，增材高度方向增材区为细密的网篮组织，倾斜方向增材区的网篮组织内包含部分等轴α相，扫描方向试样由于热量累积少，散热快，且靠近结合区，由大量细长α板条以及部分针状α′组成。增材区显微硬度以扫描方向试样为最大，约为345 HV,比增材高度方向和倾斜方向试样高出4.1%;扫描方向试样结合区的显微硬度最高，达到362 HV。不同方向试样室温拉伸性能存在各向异性，扫描方向试样抗拉强度高，塑性略低，增材高度方向和倾斜方向试样抗拉强度低，塑性略高。断口均表现出韧性断裂。     

选区激光熔化激光功率对316L不锈钢熔池形貌及残余应力的影响

针对选区激光熔化(SLM)工艺参数的匹配性对成形质量的影响,选取三种激光功率在不同的扫描速度和扫描方式下进行实验,研究了激光功率对熔池形貌及残余应力的影响。结果表明:随着激光功率增大,熔池的几何尺寸和成形件中的残余应力均变大。这主要是因为在上述参数序列下,随着激光功率增大,热流密度增大,相同层厚与截面下的温度梯度增大,熔池温度升高,熔池尺寸变大,从而导致成形件熔融时的晶面夹角及晶界间距较大,进而产生了较大的热应力,成形件冷却凝固后的残余应力过大。在实际应用中,通过合理设计匹配的工艺参数,可以得到较适合的熔池几何尺寸(即较合理的温度梯度分布),从而减小热应力,进而减小残余应力,得到成形质量较高的SLM工件。     

分区扫描路径规划及其对SLM成型件残余应力分布的影响

为了解决激光选区熔化成型零件时扫描线过长导致的层内累积残余应力过大、易发生翘曲变形和裂纹等问题,提出了一种分区扫描策略。采用S形正交扫描策略和分区扫描策略分别规划了零件扫描路径,实验验证了分区扫描策略的有效性。实验结果表明,采用分区扫描策略能有效降低边界拉应力,减小平面残余应力波动,提高成型件的力学性能。     

激光重熔路径对再制造涂层残余应力及表面质量的影响

为进一步提高再制造合金层表面质量，提升其综合力学性能，通过数值模拟与试验相结合的方式，研究激光重熔路径对熔覆层残余应力及表面质量的影响机理。首先，基于Simufact Welding软件平台分别建立了激光熔覆及三种不同扫描路径下的重熔模型，仿真研究重熔过程温度场及应力场变化规律。然后，进行了激光重熔工艺试验，通过X射线残余应力检测仪、基恩士超景深显微镜对再制造合金层的残余应力及表面形貌进行检测分析。仿真结果表明，重熔过程中工件表面各点的温度梯度比熔覆过程有明显的降低，重熔前工件最大残余应力为269.59 MPa，经激光重熔后，工件的残余应力得到明显的降低，且L1型重熔路径下工件的残余应力值最小，仅为重熔前应力值的1/2左右。残余应力试验结果与仿真计算数值偏差在10%以内，证明了仿真计算的准确性。通过对合金层的表面形貌进行三维提取发现，激光重熔能有效降低熔覆层表面粗糙度。     

扫描策略对激光粉末床熔融W-Ti重合金致密化、残余应力及力学性能的影响

采用激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术在不同扫描策略（岛状、之字形、重熔扫描策略）下制备了W-Ti重合金,研究了扫描策略对W-Ti合金致密化行为、残余应力分布及纳米硬度、抗压强度、断裂应变等力学性能的影响规律。研究结果表明：使用岛状扫描策略可以有效抑制试样内部的孔隙、裂纹等冶金缺陷,且成形件层间冶金结合良好,致密度可达99.4%;岛状扫描策略下成形试样的残余应力分布较均匀,纳米硬度为8.44 GPa,极限抗压强度和断裂应变可达1906 MPa和20.4%,均为三种扫描策略下的最高值。本实验研究明晰了激光扫描策略与LPBF成形W-Ti合金力学性能之间的关系,优化了难加工W-Ti重合金的激光增材制造工艺。     

激光选区熔化/干式铣削复合加工实验研究

为研究激光选区熔化增材与干式铣削减材复合加工中的工艺交互作用对零件成形质量的影响,以316L奥氏体不锈钢粉末为研究对象,分别采用单一增材工艺和“增材-减材”交替复合加工工艺制备试样,分析成形区的致密度、残余应力。实验结果表明,在制件致密度和残余应力方面,以上两种加工方法均受到激光能量密度的影响且规律相似。此外,复合加工中的铣削减材工艺会对成形样件的致密度和残余应力造成影响,在激光能量密度设置为100J·mm-3和125J·mm-3时,铣削减材工艺可以明显提高致密度并降低残余应力水平。     

FV520(B)钢叶片模拟件激光再制造成形试验分析

针对鼓风机用FV520(B)钢叶片根部气蚀裂纹的激光再制造,采用正交化试验方法优化再制造工艺参数;通过分析FV520(B)钢叶片模拟件根部破损情况,制定激光扫描修复方案,观察和分析修复部位金相显微组织及物相组成,并对熔覆层硬度进行测试。试验结果表明:激光功率1.1 kW、扫描速度250 mm/min、送粉速率8.10 g/min及载气流量150 L/h为该再制造系统下该材料优化工艺参数;采用多种扫描路径相综合的修复方式,减少层间热累积效应,使修复件尺寸精度保持在0.8 mm之内;熔覆层和基体为良好的冶金结合,熔覆层表面显微硬度最高,平均值达到675 HV0.2,结合界面处硬度值达到610 HV0.2,具有较好的组织结构和硬度性能。     

扫描路径对选区激光熔化热力演变的影响

选区激光熔化（SLM）是增材制造成形的主要工艺方式，其应用越来越广泛。影响其成形性能的主要因素是工艺参数组合方案，而扫描方式是其中的一个关键参数。本文以两种最常用的扫描路径为研究对象，深刻揭示其热力影响规律。首先建立符合SLM工艺特点的热力耦合仿真模型，并基于有限元软件进行二次开发，实现不同路径的仿真模拟；然后以一组工艺参数为例进行了仿真，结果表明，条纹式扫描轨迹的熔池几何和热应力均大于棋盘式；最后，通过熔道形貌与残余应力测试等多组试验数据均验证了仿真结果的正确性。该研究探明了扫描轨迹对SLM成形热力的影响关系，并为工程实践应用提供了一种高效的工艺仿真方法，从而便于进行SLM成形质量预判分析。     

扫描方向对变厚度熔覆成形件组织与力学性能的影响

针对于激光熔覆沉积成形工艺引起的拉伸强度各向异性的问题,基于变厚度熔覆层沉积方式,探究扫描方向(从高到低和从低到高)对斜坡薄壁件微观组织和力学性能的影响。测试斜坡薄壁件不同位置的拉伸强度和硬度,分析其微观组织形貌,并与等厚度熔覆层沉积方式进行对比。试验结果表明:在薄壁件的纵截面上,沿不同扫描方向沉积能改变晶粒的生长方向;晶粒生长方向和扫描轨迹能影响薄壁件不同位置的拉伸强度,且从低到高扫描沉积可明显减小抗拉强度的各向异性;在水平方向,不同扫描方向下的硬度变化趋势一致,且变厚度熔覆层沉积会改变薄壁件最大硬度的分布。     

增材316L不锈钢的激光冲击强化研究

增材制造与激光冲击强化技术相结合,以提高增材制造打印产品的力学性能。本文以316L不锈钢粉末为实验原料,通过同轴送粉式增材制造工艺获得实验试件;利用SIA LSP 23系列激光冲击强化系统在不同激光能量下对增材316L不锈钢试件进行处理,研究了增材316L不锈钢实验试件激光冲击强化处理前后的残余应力、显微硬度和抗拉强度。经激光冲击强化处理,增材316L不锈钢近表面引入了残余压应力、并伴随着显微硬度和抗拉强度的显著提高;所引入的残余压应力、显微硬度和抗拉强度随激光能量的增加而增加,表明较高的激光能量能够获得较好的激光冲击强化效果;激光冲击强化作用后的增材316L不锈钢的截面显微硬度分布规律与残余应力分布规律类似,但显微硬化层深度要比残余压应力层深度要深0.15～0.25mm。激光冲击强化可作为一项后处理技术用来提高增材制造打印产品的力学性能。     

激光熔铸修理与变形强化对铝合金疲劳性能影响研究

利用激光熔铸对预制模拟损伤的变形铝合金试件进行修复试验,在熔铸修复区采用实时机械冲击变形的方法强化修复试件.对修复件进行疲劳寿命对比试验,分析了激光熔铸与定量变形强化相结合的复合修理方式对试件疲劳性能的影响.结果表明,由于熔铸区底层柱状枝晶和残余拉应力的存在,激光熔铸修复会降低试件的疲劳寿命;辅加变形强化以后,试件疲劳寿命大幅增加,增幅可达187%;在所选冲击力范围内,试件疲劳寿命随冲击强度增大呈减少趋势.     

激光冲击对K403镍基合金高温疲劳性能和断口形貌的影响

对K403镍基合金涡轮叶片进行激光冲击强化(LSP),利用高温高低周复合疲劳试验验证其强化效果。试验结果表明:冲击后裂纹源区附近平坦区较冲击前变大,在快速扩展(FCG)区,激光冲击强化后疲劳条纹间距减小,有大量二次裂纹产生。且强化后在材料表层会引发晶粒细化以及高残余压应力,但在550℃/150min保温下,残余应力部分发生松弛,但是表层细化结构有很好的热稳定性。相比冲击前样件,激光冲击强化后涡轮叶片疲劳寿命提高了140%。热松弛后的残余压应力和表面晶粒细化是镍基合金疲劳寿命提高的主要原因。