激光选区熔化成形装备的发展现状与趋势

激光选区熔化成形是最有前景的增材制造技术之一,近些年来激光选区熔化成形装备得到了迅猛发展。针对激光选区熔化成形尺寸偏小、成形精度偏低等问题,重点介绍了大尺寸、高精度激光选区熔化成形装备的发展现状,综述了使用长焦距f-θ场镜、振镜移动和多光束拼接成形等大尺寸成形方法以及采用短焦距f-θ场镜+低功率激光器和增减材复合制造等高精度成形方法,对各方法的原理和特点进行了阐述。最后,从装备研发、成形质量控制、软件开发、标准体系建立等方面对激光选区熔化成形技术的发展进行了展望。     

金属零件3D打印技术的应用研究

金属零件3D打印技术作为整个3D打印体系中最为前沿和最具潜力的技术,是目前先进制造技术的重要发展方向。随着科技发展对材料的不断需求,利用快速成形技术直接制造金属功能零件将会成为该技术的主要发展方向。3D打印技术正在快速改变着人们传统的生产方式和生活方式。以数字化、网络化、个性化、定制化为特点的3D打印制造技术被外界认为将推动第三次工业革命。激光工程化净成形技术(LENS),激光选区熔化技术(SLM)及电子束选区熔化技术(EBSM)3种技术是金属零件3D打印技术的典型代表。对金属零件3D打印技术,包括基本的技术原理及其技术应用领域进行了介绍,最后对金属零件3D打印技术的发展进行了展望。     

基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术研究进展

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展, 其核心零件部件外形结构设计日益复杂、内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点, 较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造, 最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术, 在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势: 无模、精度高、响应快以及周期短, 同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配, 有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术: 基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化; 基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点, 综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展, 对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术在成形陶瓷零件的技术特征, 最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。     

电子束增材制造设备及应用进展

电子束增材制造是增材制造技术的主要方向之一,它在真空中进行,具有能量利用率高、零件残余应力低等优势,在航空航天、医疗领域获得较为广泛的应用.介绍了两种电子束增材制造方法——电子束选区熔化和电子束熔丝沉积,总结了设备、电子枪、工艺、材料组织调控等方面的研究与应用进展,并对电子束增材制造技术的发展进行了展望.     

激光选区熔化成形薄壁件研究进展

激光选区熔化是一种可以实现近净成形的数字化制造技术,能够制造传统工艺不能生产的复杂薄壁件,被认为是未来制造业的主导方向,应用前景广阔。综述了激光选区熔化成形薄壁件的研究现状,针对于激光选区熔化成形薄壁件成形质量较差、力学性能偏低等问题,重点介绍了工艺参数、热处理工艺以及壁厚等因素对激光选区熔化成形件微观组织、缺陷、成形质量及力学性能的影响,其中成形壁厚存在阈值,随着壁厚增加,薄壁孔隙先增加后减小,力学性能呈相反趋势。最后总结了薄壁件激光选区熔化成形存在的问题及未来的研究方向。     

激光选区熔化成形金属件的缺陷类型及表征方法概述

激光选区熔化成形是一种典型的金属增材制造技术。本文首先对激光选区熔化成形的技术原理进行阐述，然后针对该技术的工艺参数及工艺参数对打印件质量的影响进行分析和总结，重点对金属打印件中可能出现的缺陷进行分类和成因分析。在激光选区成形技术制备的金属件中主要包括两类缺陷，一类是组织缺陷，包括气孔、孔隙、未熔合缺陷、裂纹、高密度夹杂及组织的各向异性等；另一类为包括球化、残余应力、翘曲变形、几何误差等在内的非组织缺陷。最后就组织缺陷的无损检测技术的种类和应用范围进行归纳总结，并对未来缺陷检测技术的发展进行展望。     

TC4薄壁件后盖激光选区熔化技术研究

该文针对航空发动机后盖的结构特点、使用工况以及现有工艺技术瓶颈问题,提出了激光选区熔化增材制造工艺方案,并进行了大量的试验、检测及验证工作,开展了Ti6Al4V合金激光选区熔化成形的工艺验证、组织性能测试及零件尺寸检测等。研究发现,激光选区熔化成形的后盖横、纵向力学性能差别不大,远高于铸件要求。贯彻带有复杂变截面导管结构,实现后盖的激光选区熔化成形,大幅度提升后盖制造精度和符合性,解决现有后盖工艺难度大、合格率低、变形较大等问题。     

选区激光熔化工艺参数对Ti-6Al-4V成形质量的影响

选区激光熔化是一种利用高能束选择性熔化金属粉末进而直接制造复杂几何形状产品的增材制造技术。采用选区激光熔化成形Ti-6Al-4V样品,分析影响选区激光熔化成形质量的主要因素,采用体式显微镜、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计系统研究了不同工艺参数对Ti-6Al-4V合金选区激光熔化成形样品的表面形貌、致密度、组织、显微硬度的影响规律。研究得出Ti-6Al-4V合金选区激光熔化成形的优选工艺参数为:扫描功率450W,扫描速度2 500mm/s,扫描间距0.07mm,该工艺参数下打印出的样品具有较为优良的成形质量,致密度高达97.8%,显微硬度平均值为446HV。     

增材制造金属结构件残余应力的研究进展

增材制造技术近年来取得了重大进展,金属增材制造可以三维成型精度高的复杂形状零件,在各行业的应用中具有独特优势。然而,增材制造金属零件成形时由于高温度梯度会引起复杂残余应力。简要分析了增材制造技术的特点,重点总结了激光选区熔化和电弧增材制造的工艺原理。在此基础上,详细综述了增材制造过程中残余应力的产生机制及测量方法,其中,温度梯度机制是解释残余应力产生机制最常用的方法。针对残余应力的测量,分别从无损检测和破坏性检测两方面进行归纳,最常用的破坏性检测残余应力的方法是轮廓法和钻孔法,而无损检测的方法是X射线衍射法。并且总结了残余应力的调控方法,包括工艺参数调控、预热缓冷及重熔调控、结构设计调控、辅助外场调控、后处理调控。最后简要总结增材制造金属结构件残余应力研究中亟待解决的问题,并展望了金属增材制造的发展方向。     

选区激光熔化制备颗粒增强金属基复合材料的研究进展

选区激光熔化是一种使用聚焦高能激光束熔化粉末,逐层叠加成形零件的增材制造方法.选区激光熔化可以直接制备复杂结构零件和实现近净成形,能够方便地通过粉末预混添加或原位反应实现颗粒增强金属基复合材料的控形控性,具有独特的技术优势,受到广泛关注.本文综述了选区激光熔化制备颗粒增强金属基复合材料的研究进展,总结了主要研究结果及存在的共性问题,并展望了选区激光熔化制备颗粒增强金属基复合材料的研究方向和发展趋势.通过总结分析,指出选区激光熔化制备颗粒增强金属基复合材料时,聚焦激光作用下形成的高温微小熔池凝固时间短,远远偏离平衡状态,凝固过程复杂,增强颗粒与基体间冶金反应剧烈,容易熔化、分解和溶解并对基体特性产生影响,进而影响成形后的复合材料的宏观形貌和组织、性能.除增强体成分、颗粒形貌与尺寸、体积分数外,复合材料的性能还受激光功率、扫描速度、扫描间距、粉层厚度、成形气氛等工艺参数的影响,粉末特性与工艺参数之间的交互作用复杂.因此,考察工艺参数与粉末特性之间的交互作用关系,系统研究增强体颗粒特性与成形工艺参数对复合材料宏观形貌、致密度、缺陷、组织和性能的影响规律,是实现复合材料组织结构设计和性能调控的基础.     

金属增材制造技术发展趋势综述

近年来金属增材制造技术的快速发展,使其在航空航天、医疗行业、汽车制造等领域得到了大量应用.本文简要介绍了金属增材制造的典型工艺、金属粉末和金属丝材的制备方法以及基于文献统计的方法分析金属增材制造目前的研究热点和发展趋势.结果 表明,金属增材制造技术在仿真设计、制造工艺、过程监控、质量评估、后续处理等领域还没有形成完善的...     

Additive Manufacturing of Titanium Alloys for Orthopedic Applications: A Materials Science Viewpoint

Titanium‐based orthopedic implants are increasingly being fabricated using additive manufacturing (AM) processes such as selective laser melting (SLM), direct laser deposition (DLD), and electron beam melting (EBM). These techniques have the potential to not only produce implants with properties comparable to conventionally manufactured implants, but also improve on standard implant models. These models can be customized for individual patients using medical data, and design features, such as latticing, hierarchical scaffolds, or features to complement patient anatomy, can be added using AM to produce highly functional patient‐anatomy‐specific implants. Alloying prospects made possible through AM allow for the production of Ti‐based parts with compositions designed to reduce modulus and stress shielding while improving bone fixation and formation. The design‐to‐process lead time can be drastically shortened using AM and associated post‐processing, making possible the production of tailored implants for individual patients. This review examines the process and product characteristics of the three major metallic AM techniques and assesses the potential for these in the increased global uptake of AM in orthopedic implant fabrication.

     

难熔金属单晶的电子束悬浮区熔定向凝固

难熔金属及合金以其优异的性能在航空航天、电子信息、能源、化工、冶金和核工业等国防及民用领域有着不可替代的作用,其发展日益受到高度重视.本文综述了难熔金属及合金的应用和发展,以钼、钨及其合金单晶的发展历程为例,概述了难熔金属单晶的电子束悬浮区熔定向凝固制备技术的发展,简要介绍了难熔金属钼的电子束悬浮区熔定向凝固生长工艺与组织的研究.     

Electrical conductivity of hexagonal periodic lattice structures

Periodic lattice structures are three-dimensional arrays of unit cells having carefully engineered geometric properties. Solid Freeform Fabrication (SFF) processes have made it possible to tailor structural, thermal, or electrical properties by varying the shape and density of the unit-cell geometry. In this paper, the electrical conductivity of a hexagonal lattice structure is analytically derived using an effective unit-cell approach. The relationship between ligament length, ligament radius, relative density and electrical conductivity has been derived. The analysis indicates that the electrical conductivity increases with relative density and is linearly dependent on relative density at low lattice densities. Conductivity measurements of Ti-6Al-4V hexagonal lattices made via the Electron Beam Melting (EBM) process over a range of relative densities from 4% to 16% were taken in order to experimentally validate the analytical models.     

冶金法制备太阳能级多晶硅的耦合除杂研究

以工业硅为原料,利用介质熔炼、定向凝固和电子束熔炼三种熔体处理技术对工业硅中的B、P和金属杂质进行了去除,制备出了99.9999%级多晶硅材料,其中,杂质B和P的含量分别低于0.20 ppmw（parts per million (weight),百万分之一质量）,金属杂质总含量（TM）低于0.23 ppmw。研究发现,介质熔炼去除杂质B的过程中,熔体中发生氧化还原反应可以有效去除大部分的杂质Al和Ca;电子束熔炼过程中,利用饱和蒸气压原理可以有效去除挥发性杂质P、Al、Ca,同时降束诱导多晶硅定向凝固,可将其他金属杂质进一步去除。本研究通过各技术间的耦合除杂,减少了冶金法提纯多晶硅的工序,为连续化、规模化生产提供了技术支撑。     

新型电子束熔炼炉的研制

本文介绍了新型电子束熔炼炉技术参数、结构、性能及其特点。     

Modification of Iron with Degradable Silver Phases Processed via Laser Beam Melting for Implants with Adapted Degradation Rate

In medical technology, implants are used to improve the quality of patients’ lives. The development of materials with adapted properties can further increase the benefit of implants. If implants are only needed temporarily, biodegradable materials are beneficial. In this context, iron-based materials are promising due to their biocompatibility and mechanical properties, but the degradation rate needs to be accelerated. Apart from alloying, the creation of noble phases to cause anodic dissolution of the iron-based matrix is promising. Due to its high electrochemical potential, immiscibility with iron, biocompatibility, and antibacterial properties, silver is suited for the creation of such phases. A suitable technology for processing immiscible material combinations is powder-bed-based procedure like laser beam melting. This procedure offers short exposure times to high temperatures and therefore a limited time for diffusion of alloying elements. As the silver phases remain after the dissolution of the iron matrix, a modification is needed to ensure their degradability. Following this strategy, pure iron with 5 wt% of a degradable silver–calcium–lanthanum alloy is processed via laser beam melting. Investigation of the microstructure yields achievement of the intended microstructure and long-term degradation tests indicates an impact on the degradation, but no increased degradation rate.     

电子束粉末床熔融增材制造装备发展综述

电子束粉末床熔融(EB-PBF)增材制造技术具备成形效率高、成形零件应力低等优势,适用于高温合金、高熔点金属的成形,在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。对电子束粉末床熔融装备的研究情况进行了概述,回顾了EB-PBF装备的发展历程,汇总分析了国内外主要厂商的装备特点及研发进展,综述了抗吹粉、多材料、多束流复合3个方面装备的关键改进与创新方法。在此基础上,着重介绍了离子中和、机械装置屏蔽、近红外预热等新型成形舱改进方案,及其对工艺过程稳定性的提升效果;介绍了新型铺送粉装置改进方案对多材料成形的潜力,即该方案可有效满足多材料成形、成形效率提高等需求;此外提出并实现了多电子枪同幅加热成形、电子束-激光复合成形等突破传统单电子枪加工思路的新型成形技术。最后,总结了该方向的研究进展并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。