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。     

增材制造钛合金凝固晶粒调控研究进展

钛合金由于比强度高、耐腐蚀好、高温性能好等优异的性能而广泛应用于航空航天、船舶、核电等领域。增材制造技术为大型整体关键钛合金构件的短周期、低成本制造提供了变革性途径,但增材制造产生的粗大柱状晶组织导致了构件的各向异性,限制了合金性能的充分发挥。进行晶粒调控以消除各向异性、提高力学性能成为近些年的研究热点。本文简述了增材制造钛合金构件典型晶粒形貌及形成机制,阐述了国内外在增材制造钛合金晶粒调控方面的研究进展,包括工艺参数优化、微合金化改性与新合金成分设计、外加能量场、后续热处理、新型增材制造工艺和多种方法复合等,总结了各类方法的调控机理和调控效果,对增材制造钛合金凝固晶粒调控的未来发展提出了思考与展望。     

钛合金激光增材制造技术研究现状及展望

介绍了两种典型的钛合金激光增材制造技术的原理与特点,综述了钛合金激光增材制造技术的研究和应用现状。最后指出了钛合金激光增材制造技术中存在的一些问题,展望了其发展方向。     

激光增材制造钛合金温度场数值模拟

利用ANSYS软件生死单元法,建立了激光增材制造钛合金温度场数值模型,模型中考虑了材料的相变潜热、材料的热物性参数随温度的变化以及激光增材过程中的热传导及与外界的换热;分析了激光扫描速度、激光功率对激光增材制造钛合金温度场的影响。结果表明:随激光功率的提高,激光扫描到相同位置的最大温度增加;随激光扫描速度的增加,激光扫描到相同位置的最大温度降低;在激光增材制造过程,由于激光束在空间的位置随时间的变化而改变,在激光扫描到增材区域,该区域温度快速增加;在激光离开增材区域时,由于热传导、与外界换热等综合作用,该区域的温度快速降低。     

轧制工艺对TC11钛合金厚板组织和性能的影响

文章通过控制TC11厚板材的轧制温度和开坯变形量,测试不同工艺板材的组织和力学性能,认为β单相区开坯的热态组织为理想的网篮组织,57.2%以上大变形量开坯是得到均匀网篮组织的关键。同时研究了轧制温度和变形量对TC11钛合金组织和性能的影响,经β相变点以上开坯61.2%大变形的TC11板材热态组织为均匀的网篮组织。退火后得到细小的双态组织,综合力学性能良好。成功研制出了激光成形基板用TC11钛合金厚板,为增材制造TC11钛合金大型复杂结构件奠定了基础,填补了国内TC11钛合金增材制造基板的研究和制造空白,推进了钛合金增材制造工业的发展。     

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。     

采用增材制造技术制备的钛合金的高温氧化行为研究进展

钛合金具有良好的力学和化学性能,在航空航天、生物医学和化工等领域得到了广泛应用.介绍了耐热钛合金的发展现状,采用传统工艺和增材制造技术制备的钛合金的抗氧化性能的研究现状,以及近年来对提高钛合金抗高温氧化性能的合金化和表面改性等技术手段的研究进展.展望了进一步改善采用增材制造技术制备的钛合金抗高温氧化性能的研究方向.     

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。     

激光选区熔化钛合金超声辅助铣削性能研究

目的 针对激光选区熔化钛合金开展超声振动辅助铣削性能和作用机理研究,提高增材制造钛合金表面加工质量、加工精度及加工效率,推动增材制造钛合金构件在高端装备业领域的广泛应用。方法 在传统铣削和超声振动辅助铣削下,采用聚晶金刚石刀具开展激光选区熔化钛合金铣削试验研究,分析不同条件下的表面硬度、切削力、表面形貌、表面粗糙度和切屑黏结的差异性。结果 激光选区熔化钛合金硬度单次测量及其平均值均高于传统钛合金。常规干铣削激光选区熔化钛合金时,切削力随着转速的增大而呈现下降趋势,随着进给速度和切削深度的增加表现出逐渐增大的趋势。在传统铣削下,传统钛合金表面形貌存在明显的刀具划痕,而超声振动铣削时,激光选区熔化钛合金表面形貌总体表现出更加的光滑和平整。激光选区熔化钛合金在常规铣削和超声辅助铣削过程中,刀具前后刀面都出现了严重的钛合金切屑黏结现象。结论 激光选区熔化钛合金常规干铣削时,增大转速或降低进给速度和切削深度能够降低切削力。在相同切削参数下,激光选区熔化钛合金超声铣削质量优于传统钛合金常规铣削表面质量。激光选区熔化钛合金表面质量改善的作用机理主要归因于激光选区熔化钛合金的金相组织特性及超声振动时断续切削特性的综合效应。相对于传统铣削方式,超声振动辅助铣削对改善激光选区熔化钛合金加工过程中的刀具抗黏结性效果有限。     

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。     

Microstructure and Mechanical Properties of Ti6Al4VAlloy by Laser Integrated Additive Manufacturing with Alternately Thermal/Mechanical EffectsEI北大核心CSCD

To meet the requirements of the long fatigue life and high reliability of the key components of the aeroengine as well as solve the challenges of"structure control"and"performance control"based on the fact that plastic deformation can effectively eliminate internal stress and close metallurgical defects generated by the thermal effect, a laser integrated additive manufacturing technology with alternately thermal/mechanical effects is developed. In this study, Ti6Al4V alloy was chosen as the research object. The distributions of residual stress and metallurgical defects and the microstructural evolution of the formed components were systematically studied. The effects of surface laser shock peening (LSP) and interlayer LSP without coating (LSPwC) treatments on mechanical properties were investigated using a tensile test. The results showed that after LSP, tensile residual stress was transformed into compressive residual stress. Additionally, laser shock waves could effectively improve the metallurgical defects in selective laser melting (SLM)-formed components. Moreover, high-density dislocation structures and numerous twins in two directions were produced in coarse alpha' martensite by laser shock waves, which jointly promoted the grain refinement of a' martensite. The ultimate tensile strength and elongation of Ti6Al4V fabricated by the laser integrated additive manufacturing technology with alternately thermal/mechanical effects reached 1543 MPa and 15.53%, which are 46.5% and 91.5% higher than those of the SLM-formed components, respectively, yielding a good combination of strength and ductility.     

新型光斑搭接对平顶激光冲击钛合金力学性能的影响

针对平顶光束的特点,为简化工艺,提高加工效率,提出了一种简化加工过程的搭接率工艺方法。采用一种纵向25%、横向56.5%的搭接率工艺,并对该搭接率下的残余应力、显微硬度、高周疲劳极限等力学性进行验证,对比其与传统50%搭接率下的性能差异。结果表明：在新型搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面产生的残余压应力均值为-564.5 MPa,影响深度达0.82 mm;在传统搭接率下,表面产生的残余压应力均值为-559.2 MPa,影响深度达0.81 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶激光冲击钛合金表面重叠次数多的位置,显微硬度平均值分别为570.9和562.6 HV_0.3,重叠次数少的显微硬度平均值分别为432.1和453.4 HV_0.3;钛合金截面上的硬化层深度均为0.4 mm。在新型和传统两种搭接率下,平顶光束冲击钛合金的疲劳极限分别为256.3和264.6 MPa。基于平顶光束,与传统工艺相比,简化的新型搭接率工艺可以获得较好的力学性能,并提高加工效率,降低加工成本。     

激光增材制造高温合金复合材料研究进展

本文对增材制造技术在高温合金复合材料中的研究进行了系统全面地梳理归纳，综述了增材制造高温合金复合材料的粉末混合、冶金过程以及强化机制，并且在增材制造高温合金复合材料显微组织、缺陷及其性能方面进行详细对比分析研究。在此基础上，分析了增材制造高温合金复合材料研究现状及进展，并且对高温合金复合材料新增强相设计、增强相添加方式及其对蠕变疲劳性能的影响机制等的研究进行了展望，本文将有利于对增材制造高温合金复合材料的研究和发展提供参考。     

激光冲击强化提高TC4叶片振动疲劳性能

针对典型钛合金TC4进行激光冲击强化(LSP)参数设计,对强化后残余应力分布规律进行测量,应用透射电子显微镜对强化后表层微观组织进行观察,对有无LSP钛合金叶片进行不同应力水平下的振动疲劳对比试验。研究表明,TC4钛合金LSP最佳功率密度为3.5GW/cm2,LSP在材料表层产生高数值的残余压应力场,表面残余应力可达-610MPa,最大值约-650MPa位于距离表面100μm处。LSP在钛合金表层产生纳米晶,纳米晶尺寸在几个至几十纳米。钛合金叶片LSP后疲劳极限由430 MPa提高至560 MPa,升高30%;在560MPa应力水平下,中值疲劳寿命提高为原来的200%以上;LSP在钛合金表层产生的残余压应力场和纳米晶共同作用显著提高了钛合金叶片的抗疲劳性能。     

Self-Nanocrystallization of Ti-6Al-4V Alloy Surface Induced by Laser Shock Processing

应用激光冲击强化技术（也叫激光喷丸）对TC4钛合金表面进行处理。由于其作用过程产生的高幅值压力（GPa量级）、短脉冲（ns量级）、高应变率(>106s-1)使材料表面实现纳米级晶粒细化成为可能,进而进一步提高材料表面性能。同时,应用该技术在TC4钛合金表面实现纳米级晶粒细化较少有系统的研究与报道。采用Q触发钕玻璃激光器,在一定条件、一定参数下,实现了TC4钛合金的表面纳米化,并对其形成机理进行阐述与分析。在实现材料自纳米化的同时,没有引入其它杂质粒子,保持了原母材的成分稳定性,且表面微动耐磨损性能得到了提高。开展该技术的深入研究,也可为材料表面纳米化提供另一种可行的途径与方法     

飞机钛合金接耳孔边激光冲击强化 应力场优化与试验研究

目的 钛合金关键承力接耳孔边疲劳断裂是影响飞机飞行安全的重难点问题,采用激光冲击强化技术对TC4钛合金小孔件进行强化,提高其疲劳寿命。方法 开展TC4钛合金小孔件单点有无填充、多点搭接激光冲击强化有限元数值模拟研究,确定最优强化工艺,并设计带双孔疲劳试样,进行疲劳试验验证。 结果 直径3 mm光斑单点激光冲击强化的有效范围仅为1.9 mm。孔内有填充,最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm时,单光斑激光冲击强化孔边残余应力场分布均匀,且不会引入残余拉应力。双面依次强化会使先强化面残余压应力值略高于后强化面。46.5%径向搭接率下,孔边多点搭接激光冲击强化应力场均匀性优于36.5%和56.5%径向搭接率。强化后,试样的疲劳寿命得到提升,提升效果随最大加载力的减小而显著增大。断口分析表明,强化后,孔边裂纹源位置向深度方向移动,疲劳裂纹扩展区的疲劳条带间距明显减小。结论 最优强化工艺为：周向搭接率56.5%,径向搭接率46.5%,最内圈光斑圆心距孔边0.75 mm,孔填充双面同时强化。激光冲击强化在孔边表面引入600~800 MPa的残余压应力,模拟件疲劳寿命提升了6.98%~60.96%。     

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。     

铝合金激光增材制造材料体系研究现状

首先概述了3种激光增材制造的成形技术原理,对其成形件的主要性能进行了比较。其次重点论述了近年来铝硅系、铝铜系和铝锌系铝合金以及颗粒增强铝基复合材料4种铝合金粉末材料体系的研究发展情况。在此基础上,探讨了铝基粉末在激光增材制造应用中存在的一些难点,包括粉末流动性差、反射率和导热率高、极易氧化以及成形件产生微裂纹,介绍了解决或改善这些问题的方法和作用机制。最后归纳总结了现有铝合金在激光增材制造中仍需解决的问题,对今后的研究工作进行了展望,提出未来可以进行更多元素体系的陶瓷增强颗粒研究,并开发增强颗粒/铝基粉末智能匹配系统的展望,即能够科学选择出与激光增材制造所用铝基粉末高度匹配的增强颗粒,以及研发铝合金激光复合增材技术,以期为铝合金激光增材制造材料体系的发展研究提供有价值的参考。     

激光增材制造AlSi10Mg合金的力学性能研究进展

增材制造是近几十年发展起来的一种先进金属件近净成形技术,具有低能耗、短周期、高柔性、低成本等显著优势,已成为先进装备领域的前沿制造技术之一. 与传统铸造相比,增材铝合金具有相当甚至更优的力学性能. 然而,相关质量评估标准缺乏和疲劳性能分散性较大等问题限制了其在重大工程装备中的应用. 重点以选区激光熔化成形的AlSi10Mg合金为对象,从“制造工艺—仿真模拟—性能评价”角度,系统分析了增材制造工艺参数、建造方向和热处理制度等几个重要因素对铝合金微观结构及力学性能的影响,总结了增材热力学过程模拟与力学性能的相关仿真研究现状,重点探讨了目前增材制造铝合金力学性能评价的国内外进展,并进一步归纳了基于组分调控提升铝合金力学性能的相关研究结果,最后对其发展趋势进行了展望.