梯度复合材料激光熔化沉积成形的研究进展

高性能梯度复合材料是为克服现有单一均质材料无法满足某些特殊性能要求或为充分发挥不同材料的性能潜力而发展的一类新型复合材料,其显著特征是材料的组分、结构及物性参数根据需要呈连续或梯度变化。激光熔化沉积成形技术采用逐点连续添加材料成形,赋予了该技术在材料组成、凝固组织、外形尺寸等控制上的极大柔性,是未来发展集材料设计、制备、成形及组织性能控制于一体的材料智能制备与成形技术的重要方向。着重介绍采用激光熔化沉积成形技术制备镍系、钛系梯度复合材料方面取得的最新研究进展,通过分析存在的问题和面临的挑战,指出了未来工作的主要方向。     

激光熔化沉积300M超高强度钢组织与力学性能

利用激光熔化沉积快速成形工艺制备300M超高强度钢薄板试样,应用OM、SEM等方法分析了钢的组织,并测试了其室温拉伸力学性能.结果表明,由于激光熔化沉积过程中的高温度梯度及冷却速度,激光溶化沉积300M钢具有细小均匀的快速凝固胞状树枝晶,其显微组织为马氏体与贝氏体混合组织;激光熔化沉积态300M钢室温拉伸性能接近锻件水平.     

钛合金表面激光熔化沉积钛基复合材料涂层的组织及性能

通过激光熔化沉积TA15+30%TiC(体积分数)混合粉末,在TA15钛合金表面制备出钛基复合材料涂层,分析了涂层的组织、硬度及界面结合强度。结果表明,激光熔化沉积过程中原始TiC颗粒发生溶解,并在凝固过程中重新析出细小的TiC,TiC有等轴状及枝晶两种形态,涂层中存在部分未熔的TiC颗粒;涂层硬度达HRC 60;涂层与基体界面为完全冶金结合,涂层的界面结合强度大于310 MPa,抗剪切强度为330 MPa;经弯曲及热震试验后,涂层未出现剥落现象,表明涂层与基体具有很好的相容性     

TA15钛合金表面激光熔化沉积Ti-Cr二元合金涂层

通过激光熔化沉积不同比例Ti与Cr的混合粉末,在TA15钛合金表面制备出Ti-Cr二元合金涂层,分析了涂层的组织、相组成、硬度及界面结合情况。结果表明,Ti与Cr在激光熔池中实现了原位合金化,沉积层内部组织致密,与基体冶金结合;随着Cr含量的增加,沉积涂层中析出TiCr2相,硬度增加;涂层在300℃下具有良好的组织及性能稳定性,经550℃保温2 h退火处理后,涂层中亚稳β-Ti发生不完全共析转变,涂层硬度增加;涂层具有良好的强韧性配合,与钛合金基体适配度高,可用于钛合金表面耐磨及抗擦伤涂层的制备。     

激光熔化沉积CrMnFeCoNi高熵合金组织和低温力学性能

采用激光熔化沉积和铸造技术分别制备了CrMnFeCoNi高熵合金。通过X射线衍射(XRD)、金相腐蚀、扫描电镜(SEM)和力学拉伸实验等分析手段对不同方法制备的CrMnFeCoNi高熵合金相组成、微观组织及力学性能进行了对比研究。结果表明:通过激光熔化沉积和铸造技术制备的CrMnFeCoNi高熵合金均为面心立方(FCC)单相固溶体结构;采用激光熔化沉积技术制备的CrMnFeCoNi高熵合金具有更为均匀的元素分布;随着温度从293 K降低到77 K,激光熔化沉积技术制备的CrMnFeCoNi高熵合金的拉伸强度与塑性分别从518 MPa、55%提升到878 MPa、95%,表现出优异的低温力学性能。     

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。     

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。     

激光熔化沉积AlSi10Mg成形特性及力学性能

目的研究激光熔化沉积Al Si10Mg铝合金的成形特性及力学性能。方法以颗粒度45～105μm的Al Si10Mg粉末为材料,6061铝合金为基板,利用光纤激光器在充氩舱内分别进行单层单道、竖直薄壁单墙体与倾斜薄壁墙体的成形试验。测试单墙体的抗拉强度与延伸率,并通过扫描电子显微镜和光学显微镜对微观组织形貌进行分析。结果单层单道沉积层高度与激光扫描速度负相关,与送粉速度成线性正相关;而沉积层宽度与扫描速度负相关,与激光功率正相关。沉积单墙体时,沉积前10层最不稳定,墙体厚度低于后续层的厚度。为了使沉积过程稳定,墙体不塌陷,通过激光功率在前20层左右逐层递减,成功制备出250层(高10cm)以上的单墙体。工艺选取合适时,AlSi10Mg具有良好的成形能力,激光头角度保持竖直不变,墙体倾角60°以下可以稳定沉积。制备沉积态Al Si10Mg气孔率约3%,抗拉强度250MPa左右,延伸率5%以上,抗拉强度高于成分相似的ZL104铸件25%。微观组织内Al-Si共晶细小,没有针片状共晶组织,并且组织沿沉积方向呈现周期性变化。结论 Al Si10Mg在激光熔化沉积时具有良好的成形能力,沉积态的组织强度高于铸态组织强度。优化后的工艺可以稳定沉积制备下圆上方的变截面薄壁样件。     

激光熔化沉积高温钛合金Ti60快速凝固组织

运用激光熔化沉积快速成形技术制备了600℃高温钛合金Ti60棒状及板状试样,分析了其凝固组织及稀土复合物的析出行为。结果表明,激光连续熔化沉积Ti60棒状试样由以棒材轴心呈微八字形对称分布的定向生长柱状晶构成,柱状晶内部为近乎无侧向分枝的胞状晶组织,且在胞壁上存在细小均匀分布的稀土复合物;而激光逐层熔化沉积多道搭接板状试样具有更为细小的完全无侧向分枝之字形交替生长超细胞晶快速定向凝固组织,其超细胞晶间距仅为5～9μm,且晶内稀土复合物较棒材更加细小密集。     

激光熔化沉积TC2钛合金显微组织及力学性能

采用激光熔化沉积直接成形技术制备了TC2钛合金中空薄壁盒,通过光学显微镜和X射线衍射仪分别分析了显微组织和相组成,并测试了室温拉伸性能.结果表明,激光熔化沉积TC2钛合金具有细小的网篮组织和优异的室温拉伸性能,但其塑性存在明显的各向异性,纵向伸长率较横向提高约42.5%.     

激光修饰在制备生物活性表面中的应用

回顾了金属基体表面羟基磷灰石（HA）或合金层的激光重熔（LSRM）、金属表面激光熔凝（LSM）以及脉冲激光沉积钙磷层（PLD）等激光表面处理技术,利用LSRM、LSM、PLD可以明显改善基体表面的耐蚀性和生物相容性。     

YPSZ等离子涂层激光重熔组织性能

采用CO2激光焊接试验系统对YPSZ(8%Y2O3-ZrO2)等离子涂层进行了激光重熔,并对涂层进行了微观组织与性能分析.结果表明,经激光重熔后YPSZ涂层气孔和微裂纹明显减少,组织均匀致密,表面粗糙度低,强度和韧度提高.涂层硬度的变化与重熔过程中涂层相成分转变有关,经激光重熔处理后YPSZ涂层中主要相成分为t-ZrO2和少量的c-ZrO2,t-ZrO2具有较高的强度和韧度是改善涂层的表面力学性能的主要因素.     

激光制造技术的现状及发展趋势

激光制造技术的研究、开发和应用十分活跃.简要介绍了激光连接、金属零件激光快速成形、激光表面改性、激光微纳制造的研究进展和发展趋势.     

新型飞机用铝合金薄壁件的选区激光熔化成形研究

高效率、短流程、一体化成形复杂金属件对新型飞机结构优化、成本降低具有重要意义。针对飞机用复杂薄壁零件开展选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形AlSi10Mg合金设计优化和工艺研究,讨论了激光功率、扫描间距、保护气氛和热处理温度对成形质量的影响。结果表明,在较优工艺参数下,SLM成形AlSi10Mg合金组织致密,孔洞少,沉积态室温拉伸性能相较于铸件有明显提高;零件内部与表面质量良好,热处理后零件侧壁各方向尺寸与设计值正负偏差在0.2 mm以内,满足新型飞机复杂零件装配设计要求。     

3D printing of crack-free high strength Zr-based bulk metallic glass composite by selective laser melting

3D printing of crack-free bulk metallic glasses remains challenge due to the generation of huge thermal stress during the selective laser melting and their intrinsic brittleness. Herein, Zr₅₅Cu₃₀Ni₅Al₁₀ system was selected and 3D printed by selective laser melting technique. The results indicated that bulk metallic glassy composite comprises a large fraction (about 83%) of amorphous phase and minor fraction of intermetallic compounds with free of cracks were successfully fabricated. The 3D printed metallic glassy composite exhibited high strength over 1500 MPa. Experiment combined with finite-element-method simulation not only revealed the mechanism of crystallization at heat affected zones, but demonstrated that low thermal stress reduce the risk of micro-cracks generation and fracture toughness plays a crucial role in suppression the crack propagation during selective laser melting process.     

Laser glazing of plasma-sprayed zirconia coatings

A CO₂ laser with cylindrical focal lens has been used to glaze the surface layer of plasma-sprayed ZrO₂-20wt% Y₂O₃/MCrAlY coatings. Both a continuous-wave laser and a pulsed laser were used in this study. Different parameter settings for power, travel speed, and pulse frequency were used, and their effects on the melting width, melting depth, coupling efficiency, microstructure, surface roughness, and process defects have been evaluated. Results show that the melting width of the glazed track was slightly smaller than the diameter of the raw beam. The melting depth increased with increasing energy density for both a continuous-wave laser and a pulsed laser. The coupling efficiency as about 40 to 65% for a continuous-wave laser, which increased with increasing laser travel speed, but decreased with an increase in energy density. The power density has no significant effect on coupling efficiency. Defects, such as bubbles or depressions, occur easily with a continuous wave laser. A high-quality glazed layer is successfully produced using a pulsed laser. The surface roughness of the plasma-sprayed ceramic coatings was significantly improved by laser glazing. Surface roughness decreased slightly as the pulse frequency increased for the glazed surface. Based on this study, proper processing parameters have been suggested.     

激光熔覆Cr_3C_2-Ni复合涂层的减摩性能

以粉末化学镀法制备的Cr_3C_(2-)Ni复合粉末作为预置层,在Q235钢板表面用激光熔覆技术制备了减摩复合涂层.研究了Cr_3C_(2-)-Ni涂层在干摩擦条件下的减摩性能,并对磨损形貌进行了SEM观察,对涂层的硬度进行了测 试.结果表明,该涂层组织均匀致密、硬度较高;涂层的摩擦性能稳定,摩擦系数为0.44;硬质Cr_3C_(2-)粒子与金属粘结相的配合能有效提高熔覆层的承载能力,减小摩擦损失.     

激光熔覆Fe-Ni-Si-B非晶层的形成条件

采用5 kW横流CO2激光器在45钢基体上激光熔覆制备了Fe38Ni32Si16B14的非晶层.利用X射线衍射和透射电镜分析了熔覆层物相、组织结构与非晶形成的影响因素.结果表明,B以硼铁的形式加入有利于非晶层的形成;Si含量为16%时非晶层形成能力达到最大,Si在作为合金组元的同时还起到防止其他元素氧化烧损的作用,其含量影响到合金系的玻璃形成能力;激光功率和光斑直径一定时,扫描速度影响熔池的均匀化程度和冷却速度.在激光功率4 800 W,扫描速度3 500 mm/min时,可以实现激光表面非晶化.     

激光熔覆制备Fe-Ti-Mo-C系复合涂层

采用钛铁、钼铁和石墨为激光熔覆粉末,利用激光多道搭接熔覆技术在碳钢基体上制备Fe-Ti-Mo-C复合涂层.利用X射线衍射仪、场发射扫描电镜、电子探针对涂层的相结构和显微组织进行了研究.用显微硬度计和滑动磨损试验机,对涂层的硬度和耐磨性能进行测试.结果表明,涂层中原位生成了(Ti,Mo)C复合碳化物.(Ti,Mo)C呈面心立方结构,晶格常数略小于TiC晶粒.随着原材料中钼铁加入量的增加,涂层显微组织由铁素体、珠光体向马氏体转变,显微硬度和耐磨性增加,但抗裂性能降低.     

激光直接堆积成形铜合金的组织及性能

基于快速成型原理,采用激光熔化同轴输送的铜合金粉末,在沉积基板上直接制备出 具有一定复杂外形的零件。零件组织致密,成分均匀,力学性能较铸态有所提高,能满足直接使用的性能要求。