搅拌摩擦增材制造技术研究进展EI北大核心CSCD

本文归纳总结了国内外的搅拌摩擦增材制造(FSAM)技术的研究进展,搅拌摩擦增材制造具有成形快、增材效率高、过程绿色环保等特点。此外,其作为一种固相增材技术,能够有效避免其他熔化增材方法成形过程中引起的缩松、孔隙等缺陷。目前报道的搅拌摩擦增材制造方法,大致可以分为4大类:轴向增材制造、径向增材制造、消耗型搅拌摩擦工具增材制造和叠加板材增材制造。详细列举了搅拌摩擦增材与激光、电弧增材样品微观组织与性能,阐述了不同增材方法的优缺点和适用领域,介绍了搅拌摩擦增材设备单位及已经开展的初步应用和未来设计的搅拌摩擦增材装置的发展方向,为搅拌摩擦增材技术的进一步应用奠定了基础。     

搅拌摩擦增材制造技术研究现状与发展趋势

现有的高能束增材制造技术在成形大型高性能金属构件时存在适用材料范围有限、能源利用率低以及成形件各向异性等工艺特点,搅拌摩擦增材制造是近年来发展起来的一项新型固相增材制造技术,其无液态金属熔凝过程的成形特征为铝合金、镁合金等易氧化轻质合金的高性能快速制备提供了新的增材制造途径。文中首先指出现有高性能金属构件增材制造技术应用的局限性,重点介绍搅拌摩擦增材制造技术的工艺原理、性能优势及应用现状。综述了国内外所开展的主要搅拌摩擦增材制造技术现状,包括同轴送料式、预置料式等类别,进而展示了搅拌摩擦增材制造技术在轻质大型结构件增材制造及特征结构添加,梯度材料与涂层制备,缺陷损伤修复及新型复合材料制备等方面的应用潜力。最后,对搅拌摩擦增材制造技术的发展趋势进行了展望。通过文中综述,以期推动该技术在国内航空航天等领域大型轻质材料构件的制备方面实现应用。 创新点： (1)为解决现有激光/电子束等高能束增材制造技术在轻质材料构件应用方面的局限性,文中对搅拌摩擦增材制造这一新型固相增材制造技术开展调研分析,其无液态金属熔凝的成形特性使得制件不会形成与快速凝固相关的缺陷,如孔隙率、热烈纹、元素偏析、稀释、微细分散氧化物聚集以及高残余应力,具有更高成形效率、更大成形尺寸、更优的力学性能。 (2)文中通过对搅拌摩擦增材制造技术的工艺特性与应用现状分析,总结出了该技术在轻质大型结构件增材制造、特征结构添加、梯度材料与涂层制备、缺陷损伤修复及新型复合材料制备等方面具备较大的应用潜力。     

声子晶体增材制造的研究进展

声子晶体是一种超材料,通过人工设计的结构单胞可以形成周期性结构阵列,实现从Hz到THz频率范围内波的调谐和控制,在工业领域具有良好的应用前景.通过声子晶体实现波的负折射、负反射、自准直等现象的定量控制需要设计具有复杂结构的声子晶体单胞,而增材制造为这种声子晶体提供了制备技术.文中回顾了声子晶体的发展和工业应用、声子晶体的增材制造技术及制造中面临的问题,探讨了增材制造工艺参数和声子晶体服役性能之间的关联性.通过相场法模拟了工艺参数对熔池凝固的影响,采用搅拌摩擦增材制造制备了声子晶体单胞,比较了加工工艺所导致的结构变形对声子晶体带隙特性的影响.研究表明,增材制造工艺会影响所制备声子晶体结构中材料的微观结构、力学性能、密度和结构变形等,从而使声子晶体的服役性能与理论设计出现偏差,对增材制造工艺的控形与控性有助于量化控制所制备声子晶体的服役性能和带隙特性.     

2219铝合金电弧增材制造组织及力学性能的非均匀性

2219铝合金电弧增材制造技术在航天领域具有广泛的应用前景。采用基于CMT工艺的电弧增材制造技术成形了2219铝合金单壁墙试样,并研究了沉积态、固溶态、固溶+时效态的显微组织与力学性能。结果表明显微气孔、θ(Al₂Cu)及富Fe脆性相在层间密集分布形成薄弱带,是导致水平方向和垂直方向力学性能各向异性的原因。垂直方向拉伸时,微裂纹易于在层间形成,塑性较差、抗拉强度较低。为提高WAAM成形的2219铝合金垂直方向力学性能,需尽可能降低丝材中的Fe、Si杂质含量。     

铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造技术

为解决固相增材制造过程送料不连续及层间界面弱连接的难题,提出了连续进给搅拌摩擦增材制造的方法,设计了一个带孔的储料腔和一个可对丝材进行热塑化并连续挤压的螺杆拓扑结构搅拌头. 结果表明,Al-Si合金丝材经由送丝孔进入储料腔,搅拌头连续热塑化并向下挤压材料,搅拌针在堆积层间的搅拌作用有效地提高了堆积层间的界面结合能力,成功实现了铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造成形并解决了层间界面弱连接的难题. 单层增材制造堆积层厚度平均为1.2 mm,Al-Si合金增材制造成形件沿堆积方向的抗拉强度和断后伸长率分别为207.1 MPa ± 3.2 MPa和19.6 % ± 5.3%,该技术为实现大型铝合金构件全固相增材制造提供了一种可行性方案.     

激光/电弧增材制造金属的热处理工艺研究现状与发展

热处理对调整增材制造金属的组织与力学性能具有重要意义。随着增材制造技术的发展,后续热处理工艺的研究已经逐渐为各国研究者所关注,并成为了增材制造领域一个重要的研究方向。结合典型增材制造金属材料的组织特征说明了研究热处理工艺的意义所在,综述了近年来增材制造金属热处理工艺的研究现状,涉及的材料包括钛合金、镍基合金、钢等,重点阐述了热处理前后材料组织与力学性能的变化,并分析了未来这一技术潜在的发展方向。     

大型航空航天铝合金承力构件增材制造技术

金属增材制造技术凭借其个性化定制能力和高质量成形潜力,迅速发展成为影响航空航天设计与制造能力的一项关键先进技术.在简要总结金属增材制造技术分类和原理的基础上,阐述了高强铝合金在激光增材、电弧增材、电子束增材、固相增材工艺下的形性调控与成形机理研究进展,综合归纳了铝合金增材制造技术在航空航天领域的具体应用,展望了大型铝合金承力构件在形性调控、结构设计、材料体系、工艺数据库、智能化增减材技术等方向的研究.     

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.     

激光选区增材制造420不锈钢件的组织及力学性能

增材制造是复杂制备的优势工艺，因此，对420不锈钢3D打印件的组织及性能进行研究，可为420不锈钢复杂件增材制造提供前期数据。采用激光选区增材制造制备420不锈钢件，采用光学显微镜、扫描电镜分析打印态及固溶处理态的组织，采用拉伸试验机测试力学性能。结果表明：420不锈钢具有良好的激光选区增材成形性能，其组织为典型的不锈钢打印组织；固溶热处理使组织发生变化，典型鱼鳞打印组织变得模糊；固溶处理的力学性能优于打印态。     

激光增材技术制备金属基石墨烯复合材料

增材制造技术（3D打印）是先进制造技术的重要发展方向,已经应用到航空航天、汽车工业、生物医学等重要领域中。自2004年首次剥离出单层石墨烯后,石墨烯等二维晶体材料逐渐成为了复合材料领域的研究热点。其表现出的优良力学性能及导电导热性使其更加适用于增强相材料。石墨烯与金属合金复合,通过调整石墨烯增强相的含量和分布,有望大幅提高金属基体材料的力学强度、导电导热等性能,获得性能优异的结构功能一体化材料。激光增材制造技术和石墨烯纳米片高比表面积和各向异性的优点相结合,对石墨烯与金属粉末进一步加工混合,再逐层打印构造3D 结构,已成为一个全新的研究方向,正在引领着第四代工业革命的进展。本文以激光增材制造技术为主体,从三个角度综述激光增材制造技术制备金属基石墨烯复合材料的研究进展,即激光增材制造技术制备石墨烯铝、镍及其他金属基复合材料,对比了形成工艺以及材料的性能,并分析了今后可能的发展方向。     

Chemical Composition Effect on Microstructures and Mechanical Properties in Friction Stir Additive Manufacturing

The variation of chemical compositions can affect the mechanical property of friction stir additive manufacturing (FSAM). Quantitative characterization of the relationship between the chemical composition and the mechanical property of FSAM components is key to control the quality of FSAM components. The effect of chemical composition on the mechanical property of 6xxx series aluminum alloy FSAM joint was studied by both experimental and numerical methods. A moving heat source model was established to simulate the heat transfer in FSAM process. The average grain size was calculated by Monte Carlo model, and the precipitate evolution model was used to calculate the hardness and constitutive stress-strain relationship. The validity of the numerical model was verified by experiments. Results indicate that the hardness and yield stress of 6xxx series aluminum alloy FSAW joint can be enhanced by increasing silicon or magnesium contents. By increasing the content of magnesium (silicon), the volume fraction and the mean radius of Mg₂Si can be increased when the content of silicon (magnesium) is excessive. With the decrease in volume fraction, the average grain size can be increased. By changing the weight percentage of magnesium and silicon in different layers, the hardness and yield stress along the build direction can be controlled.     

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。     

Fine equiaxed β grains and superior tensile property in Ti-6Al-4V alloy deposited by coaxial electron beam wire feeding additive manufacturing

Coarse columnar β grains result in anisotropic mechanical properties in Ti alloys deposited by additive manufacturing. This study reports that Ti-6Al-4V alloy fabricated by coaxial electron beam wire feeding additive manufacturing presents a weak anisotropy, high strength and ductility. The superior tensile property arises from a microstructure with fine equiaxed β grains (EGβ), discontinuous grain boundary α phase and short intragranular α lamellae. A large region of fine EGβ arises from a special combination of the temperature gradient and solidification rate, and attractive α morphology is caused by solid phase transformations during interpass thermal cycling and post heat treatments.     

冷喷涂增材制造关键技术

近些年来,冷喷涂技术得到快速的发展,并逐渐形成了一门新的增材制造方法。 但由于目前存在的诸多技术壁垒以及居高不下的制造成本,使得冷喷涂增材制造技术尚未得到广泛的应用。 文中从技术与应用的角度出发,对冷喷涂增材制造目前存在的一些关键技术问题以及未来发展的方向进行梳理与讨论,同时也提出了一些适用的解决方案。 目的是为促进该技术实现更高价值的制造过程,从而推动冷喷涂增材制造技术的发展。     

激光增材制造WC增强铁基复合材料组织结构及性能研究

目的采用激光增材制造技术制备WC增强铁基复合材料,并对其显微组织结构及性能进行表征测试,为后续制备大体积激光增材做技术理论及工艺储备。方法加入质量分数为10%的WC粉末,利用激光增材制造技术在40Cr钢表面制备WC增强铁基复合材料层,采用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、硬度计、磨粒磨损机、电化学工作站等,分析激光增材层逐层组织结构、力学性能及其变化规律。结果激光增材层与基体呈良好冶金结合,相组成为α-(Fe,Cr)、Fe2C、Fe2W、Fe3B。表层、亚表层及中层区显微组织为鱼骨状树枝晶,在其周围存在硬质颗粒,随着表面距离的增加,底层区出现胞状晶。亚表层区晶粒最为细小均匀,硬度最高,为1057HV,是基体的4.2倍。中层区磨损率最低(0.29 mg/mm^2),耐磨性最好,自腐蚀电位最高(-205.86 mV),耐蚀性能最好。底层区钝化电流密度最小,为0.1865μA/cm^2,腐蚀速度最慢。结论加入的WC颗粒与铁基粉反应生成的Fe2C与Fe2W形成第二相强化,提高了基体的硬度、耐磨性及耐蚀性,且增材层亚表层区硬度最高,中层区耐磨性、耐蚀性最好。     

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。     

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.