高性能致密金属零件的激光立体成形技术

针对高性能复杂金属结构件成形的技术难题和快速响应需求,建立了金属结构件激光立体成形科学与技术整体架构和成形工艺规范,成形与修复构件的综合力学性能达到锻件技术标准,研发了具有自主知识产权系列激光立体成形与修复工艺装备,并在国内首先实现了商业应用,为激光立体成形技术的大规模工业化应用提供了技术支撑。该技术获授权发明专利5项。     

激光金属成形缺陷在线检测与控制技术综述

激光金属增材制造技术通过金属材料的激光逐层熔化堆积实现复杂零件的直接成形制造。激光金属成形零件易出现宏观缺陷以及内部冶金缺陷,严重影响零件的性能。综述了国内外激光金属成形零件宏观缺陷、内部冶金缺陷在线检测及缺陷控制技术的研究进展。分析指出目前普遍采用的熔池物理参数在线检测和反馈控制技术的主要作用是减少零件的宏观缺陷,但在消除内部冶金缺陷方面的作用是有限的。为了提高激光金属成形零件的关键力学性能,内部缺陷控制正逐渐成为激光金属成形领域新的研究热点。     

AlSi10Mg合金选区激光熔化成形参数的选择

选区激光熔化成形技术常用于复杂构件的制造,其成形件的力学性能甚至优于热处理后传统铸造件的。在选区激光熔化成形过程中,易出现球化等缺陷,会降低零件的致密度和力学性能,进而影响产品的使用。以AlSi10Mg合金为例,从材料、设备及工艺等参数选择的角度对如何减少合金选区激光熔化成形件球化现象、提高致密度进行了分析。结果表明,氧含量低和粒度小的粉末颗粒可减少球化现象,选择合适的工艺参数,可提高零件的致密度。     

激光熔覆快速成型致密金属零件的试验研究

激光熔覆成型能改善快速成型技术的基本工艺使之能够在快速，精确制造零件的同时提高零件的强度等力学性能，使快速成型技术突破目前多用来制造原型和模型的现状，直接生产高性能零件。本文对激光熔覆快速成型致密金属零件进行试验研究，介绍了试验装置的组成，通过单层和多层试验研究，获得了激光功率，扫描速度和光斑直径对激光熔覆成型的影响规律，获得了激光熔覆成型的金属零件。     

激光熔覆技术成形薄壁件的研究进展

激光熔覆成形是一种能制作全致密金属零件的增材制造(3D打印)技术。激光熔覆成形薄壁件较传统工艺制造薄壁件有很大优势,特别是对于结构复杂的薄壁件。激光熔覆成形的薄壁件力学性能优异、组织致密。本文主要对激光熔覆成形薄壁件的成形原理以及工艺特点、工艺参数、粉末、成形方法等方面的研究进行了综述,并分析了发展趋势。     

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。     

间接选择性激光烧结与选择性激光熔化对比研究

采用选择性激光烧结（Selective laser sintering，SLS）和选择性激光熔化（Selective laser melting，SLM）工艺，分别进行了铁基合金粉末的快速成形试验，对比分析了SLS与SLM成形机理、相应的工艺参数以及它们对测试件成形过程、金相组织与力学性能的影响。结果表明：由于成形机理不同，相对于SLS技术，采用SLM能够制造高致密度、组织均匀、力学性能良好的金属零件，但容易出现翘曲变形、裂纹与球化现象。通过制定合适的材料与工艺参数能够避免上述缺陷。     

激光增材制造金属零件内应力调控研究现状

激光增材制造技术可以直接成形出任意复杂结构且性能优异的金属零件,但激光增材制造过程中瞬态的熔化/凝固熔覆层所致的内应力,导致成形零件变形和开裂,是长期制约高性能大型金属零件激光增材制造发展和应用的瓶颈,更是决定该技术优势能否得以充分发挥并走向工程应用的基础。详细介绍了辅助激光增材制造技术调控成形零件内应力问题研究现状,阐述各技术特点及优缺点,为解决内应力造成零件易于变形开裂的"控形"难题提供借鉴。     

复杂薄壁金属零件的快速制造技术

本研究以真空差压铸造技术为基础,结合选择性激光烧结（SLS）快速原型技术和陶瓷壳型精密铸造技术,开发了一种从计算机三维模型到金属零件的快速制造工艺－快速精确铸造工艺,可以实现复杂薄壁铝合金零件的快速成形。本文着重描述了由SLS塑料原型快速制取陶瓷型壳和真空差压精确铸造技术的工艺特点,解决了新产品开发中金属零件快速制造的关键问题,为快速成形技术在铸造中的应用开辟了一个新领域。     

激光成形制备生物医用钛合金材料研究进展

激光成形制造技术是在快速原型技术的基础上结合激光加工技术发展起来的一项高新制造技术.它能够通过不同的加工方式调整结构及功能零件的性能,满足复杂致密或者多孔钛合金生物医用材料的成形需求,实现医用钛合金零件的个性化设计和制备,因此在医用钛合金人工肢体和植入体领域方面具有巨大的应用潜力.目前在制备生物医用钛合金材料领域研究较多的激光成形制造技术主要有激光立体成形和选择性激光烧结/熔化.本文综述了这两种激光成形制造在生物医用钛及钛合金制备方面的应用情况和研究现状,并指出了该领域未来的发展趋势.     

Laser Solid Forming Repairing and Remanufacturing of High Strength Steel

Laser solid forming (LSF) is an advanced manufacture technology developed from early 1990s, which can realize the rapid manufacturing high performance near-net-shaping complicated metallic components with full-dense directly. Currently this technology has been widely used for rapid manufacturing of metal parts, repairing and remanufacturing service of large parts with defects in aerospace, energy, transportation industry etc. In present paper, the main progresses on the research and application of LSF are r...     

热处理对激光立体成形TA15合金组织及力学性能的影响

研究了激光立体成形TA15钛合金沉积态、退火态、固溶时效态以及双固溶时效态4种状态的组织及力学性能。结果表明:沉积态组织为大量不同取向相互交叉的发达魏氏α+β板条,其拉伸性能表现出一定的各向异性。经退火后,显微组织没有明显变化,塑性在强度降低不多的情况下得到了提高。退火态试样具有良好的综合拉伸性能,达到了锻件退火态的拉伸性能标准。经固溶时效处理后可得到粗化的α初+α’组织,成形件的强度显著提高。经双固溶时效后可得到粗化α初+细化α次+α’组织,强度稍有降低。与室温相比,4种状态均呈现出高温强度降低而塑性提高的特点。对于不同的热处理状态,成形试样的洛氏硬度HRC处于30~45范围变化,不同热处理态的硬度变化与拉伸性能中的强度变化趋势一致。     

Heat-treated microstructure and mechanical properties of laser solid forming Ti-6Al-4V alloy

The effects of heat treatment on the microstructure and mechanical properties of laser solid forming (LSF) Ti-6Al-4V alloy were investigated. The influences of the temperature and time of solution treatment and aging treatment were analyzed. The results show that the microstructure of LSFed samples consists of Widmanstätten α laths and a little acicular in columnar prior β grains with an average grain width of 300 µm, which grow epitaxially from the substrate along the deposition direction (Z). Solution treatment had an important effect on the width, aspect ratio, and volume fraction of primary and secondary α laths, and aging treatment mainly affects the aspect ratio and volume fraction of primary α laths and the width and volume fraction of secondary α laths. Globular α phase was first observed in LSFed samples when the samples were heat treated with solution treatment (950°C, 8 h/air cooling (AC)) or with solution treatment (950°C, 1 h/AC) and aging treatment (550°C, above 8 h/AC), respectively. The coarsening and globularization mechanisms of α phase in LSFed Ti-6Al-4V alloy during heat treatment were presented. To obtain good integrated mechanical properties for LSFed Ti-6Al-4V alloys, an optimized heat treatment regimen was suggested.     

柔性再制造增材修复系统

失效零件再制造修复的特点是:待修复形状和位置的随机变化特性,修复件性能不均匀性,修复加工需控制成本。针对性地提出构建满足个性化修复需求的系统构建策略:增材制造系统用于修复,同时配用小热输入量的弧焊电源;构建了由机器人作为承载体、弧焊电源、开发的控制系统和辅助系统组成的柔性增材修复系统;详细介绍系统的设计原则、设备选用和系统集成;选择了库卡机器人,选用具有"冷金属过渡技术"(CMT Advanced)弧焊电源,研发了由工控机为硬件的控制系统。这套系统可以很好地完成修复工作,满足退役零件个性化的修复需求。     

激光立体成形Ti2A1Nb基合金组织演化

利用SEM、XRD和TEM研究了激光立体成形(LSF,lasersolid forming)Ti2A1Nb基合金的组织演化规律。结果表明:激光立体成形Ti2A1Nb基合金沉积态组织由B2/β0相(ordered-bcc)和O相(orthorhombic)组成。沉积态的相组成及微观结构从成形试样顶部→中部→底部呈现从B2/β0固溶体→B2/β0+O魏氏体→B2/β0固溶体的变化,进而使得激光沉积态Ti2A1Nb基合金中间部位的显微硬度值最大,顶部与底部相当。合金显微硬度随激光功率的增大而增大。     

搅拌摩擦固相修复技术研究现状及发展方向

金属结构件在生产和使用过程中易出现裂纹、孔洞和沟槽等缺陷,搅拌摩擦焊具有热输入量小、焊接变形小和焊接效率高等优点,在金属材料修复领域具有巨大的发展潜力。首先总结了搅拌摩擦焊修复的修复性能和特点。由于搅拌摩擦焊修复仅能修复裂纹及体积较小的沟槽等缺陷,对于其他类型缺陷难以有效修复。针对搅拌摩擦焊修复的局限性,介绍了基于搅拌摩擦焊原理的搅拌摩擦点焊修复和搅拌摩擦增材修复。搅拌摩擦点焊修复分为回填式搅拌摩擦点焊修复、填充搅拌摩擦焊修复和摩擦塞焊修复,主要用于匙孔等孔洞类缺陷的修复。阐述了各类搅拌摩擦点焊修复的工作原理、修复接头性能和强化方式,并对比分析了各类工艺的不足之处。搅拌摩擦增材修复分为复合增材修复和增材搅拌摩擦沉积修复,主要用于大面积、大体积类表面缺陷的修复,论述了各类搅拌摩擦增材修复的作用机制、沉积层性能和工艺特点。最后对搅拌摩擦点焊修复和搅拌摩擦增材修复存在的问题及未来发展方向进行了展望。     

Crack Repair in Aerospace Aluminum Alloy Panels by Cold Spray

The cold-spray process has recently been recognized as a very useful tool for repairing metallic sheets, achieving desired adhesion strengths when employing optimal combinations of material process parameters. We present herein the possibility of repairing cracks in aluminum sheets by cold spray. A 2099 aluminum alloy panel with a surface 30° V notch was repaired by cold spraying of 2198 and 7075 aluminum alloy powders. The crack behavior of V-notched sheets subjected to bending loading was studied by finite-element modeling (FEM) and mechanical experiments. The simulations and mechanical results showed good agreement, revealing a remarkable K factor reduction, and a consequent reduction in crack nucleation and growth velocity. The results enable prediction of the failure initiation locus in the case of repaired panels subjected to bending loading and deformation. The stress concentration was quantified to show how the residual stress field and failure are affected by the mechanical properties of the sprayed materials and by the geometrical and mechanical properties of the interface. It was demonstrated that the crack resistance increases more than sevenfold in the case of repair using AA2198 and that cold-spray repair can contribute to increased global fatigue life of cracked structures.     

激光熔覆在高速列车上的应用研究现状

高速列车轮轨、制动盘、车轴是易发生磨损的部件,采用激光熔覆技术能有效改善磨损或对损伤部件进行修复。综述了激光熔覆应用于高速列车轮轨、制动盘、车轴的研究现状。归纳了现有研究中各部件所采用的熔覆材料。总结了不同部件所关注的性能,针对不同部件的特性,分析了其对激光熔覆层性能的需求和应采用的熔覆层性能测试方法。对于列车轮轨,旨在通过激光熔覆涂层提高其接触面抗磨损和抗滚动接触疲劳性能;对于制动盘,旨在通过涂层减小其摩擦磨损和热疲劳;对于车轴可采用激光熔覆技术对已损伤的部位进行修复,并应重点关注车轴修复后的疲劳性能。此外,提出了激光熔覆实际应用于高速列车部件上现存的几个关键问题,包括：激光熔覆热影响区组织对部件服役性能的影响;激光熔覆残余应力的影响;激光熔覆低效率和高稀释率的问题;激光熔覆组件热损伤问题。目前的研究主要集中于激光熔覆材料的选择和性能评价,而从组织演变、残余应力及服役性能三者综合考虑的轨道交通理论基础有待构建。     

Application of the Same-Stuff and Equal-Strength Laser Cladding Technology on the Repaired Semishrouded Impeller

0Cr17Ni4Cu4Nb powder was used to investigate the same-stuff laser repair(LR)technology on the semishrounded impeller.To improve the repaired effect,heat treatment was used after LR forming process.By means of optical microscopy,scan electron microscopy(SEM),micro-hardness tester and tensile tests,the microstructure of the coating was investigated and mechanical properties were measured.The experimental results show that cladding layer is well bonded to the substrate,the microstructure of the laser repaired zone(LRZ)is coarse martensite which will be refined after heat-treatment.The mechanical property experiments indicate that the micro-hardness and toughness would be increased after heat-treatment,the strength of LRZ after heat-treatment is 1050～1200 MPa,while the strength of normal laser repaired sample is 1000～1050 MPa.The refinement effect due to the heat treatment plays an important role in the improvement of the mechanical properties of samples.Overspeed examination and the real operation of the impeller after repairing also confirmed the reliability of this same-stuff and equal-strength laser cladding technology.     

椭圆双向超声振动渐进成形对6061铝合金薄壁件力学性能和微观结构的影响

为了在加工复杂薄壁件的过程中改善其工艺性能和使用性能，对6061铝合金复杂薄壁件双向振动超声渐进成形后的力学性能和微观结构进行了研究，对比了传统渐进成形、垂直单向超声振动渐进成形和椭圆双向超声振动渐进成形工艺，对成形后的试验件进行硬度测试、残余应力分析以及扫描电子显微镜观察，以验证双向渐进成形工艺对铝合金复杂薄壁件成形性能和使用性能的提升效果。硬度试验结果表明，椭圆超声振动渐进成形能够软化材料，增加材料塑性和韧性，从而提高6061铝合金成形复杂薄壁件的能力，试验件断裂面端口产生大量韧窝的现象也进一步证明了这一观点。试验件成形表面的微观形貌特征表明椭圆超声振动渐进成形在改善试验件表面质量方面具有显著优势。此外，发现椭圆超声振动渐进成形方法能够在6061铝合金表面形成残余压应力层，有利于提高薄壁件的抗疲劳性能。