激光选区熔化成形铝合金的组织、性能与倾斜面成形质量

采用优化工艺参数对AlSi10Mg铝合金进行激光选区熔化(SLM)成形,对平行于和垂直于SLM成形方向的显微组织、拉伸性能、冲击性能以及相对密度进行了对比研究;分析了SLM直接成形不同倾斜角度倾斜面的成形质量。结果表明:平行于SLM成形方向的显微组织与垂直于SLM成形方向的在生长方向上存在差异性;沿垂直于SLM成形方向截取试样的平均抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、冲击功分别为364 MPa,303 MPa,6.7%,5.1J,高于平行于SLM成形方向的;当倾斜角度不大于45°时,倾斜面成形质量较好,当倾斜角度大于50°时,倾斜面下表面出现坍塌现象。     

激光选区熔化区域连续能量调控扫描方法研究

针对激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形悬垂结构件中存在的翘曲、挂渣等成形质量问题,基于局部区域传热差异性和层间热量传递性研究成形过程中已凝固实体与粉末分布对温度分布的影响,从而对悬垂件的成形进行优化。建立了基于零件几何信息驱动的能量调控优化模型,通过识别模型的几何特征,根据局部区域内的凝固实体和材料粉末的比例计算能量影响因子,实现基于软件自适应调节的变工艺参数的定域定量扫描,最终实现区域能量连续调控与工艺优化。选取典型悬垂件进行316L材料的打印实验作为验证,结果表明相较于未优化的普通扫描方案,基于软件自动能量调控的优化扫描方案可以提高小于45°倾角的悬垂结构件的成形质量,成形40°悬垂结构件时,变参数成形的悬垂面面平均粗糙度Sa(Surface average roughness)达24.03μm,相比定参数成形的Sa为46.32μm,表面光洁度明显提高;同时可无支撑成形8 mm跨度的水平悬垂件。     

工艺参数对激光选区熔化成形TA32钛合金成形质量及硬度的影响

采用激光选区熔化（SLM）技术制备TA32钛合金试样,研究了激光功率（200～400 W）、扫描速度(800～1 200 mm·s^-1)和扫描间距（90～130μm）对成形质量及硬度的影响。结果表明：随着扫描速度增加,SLM成形TA32钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均逐渐降低;随着扫描间距增大,钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均先降低后升高;随着激光功率增加,钛合金的表面粗糙度先减小后增大,相对密度和维氏硬度均先升高后降低;适用于TA32钛合金SLM成形的激光能量密度范围为45～75 J·mm^-3。     

工艺参数对SLM激光快速成型件表面粗糙度的影响

主要研究SLM激光快速成型过程中各工艺参数对成型件表面粗糙度的影响.影响成型件表面粗糙度的工艺参数主要有激光功率、扫描速度、搭接率、切片层厚和倾斜角度.采用正交实验方法,研究激光功率、扫描速度、搭接率三个工艺参数对快速成型件水平面表面粗糙度的影响规律、倾斜角度对斜面表面粗糙度的影响以及切片层厚对零件的垂直面的表面粗糙度影响.实验结果表明:搭接率是影响水平面表面粗糙度的最主要的因素,当其它参数相同,搭接率为30%时,表面粗糙度值最小;倾斜角度越大,表面粗糙度值越小;切片层厚越小,表面粗糙度值越小.     

激光选区熔化单道扫描与搭接数值模拟及试验

激光选区熔化（Selective laser melting,SLM）单道扫描的数值模拟,在数值建模时多采用规则实体模拟铺设的粉末层,通过等效定义材料热物理属性模拟铺设粉末层中粉末与气体共存的情况,难以模拟粉末颗粒的随机性而带来的扫描结果的随机性,且难以分析熔池形貌、内部缺陷的微观衍变过程。针对SLM成形过程中激光功率和单道搭接率对扫描单道和单道搭接质量的影响,以316L不锈钢材料为例,建立SLM首层单道扫描与单道搭接数值模拟模型。SLM的铺粉过程在基于离散单元法的EDEM中建立,并得到数值化的粉床几何模型。SLM的单道扫描与搭接的模拟基于有限体积法,在FLUENT中实现,采用两相流模型与熔化/凝固模型捕捉熔池形貌变化过程,得到不同激光功率和扫描搭接率下成形单道与单道搭接的数值模型。最后结合试验表明了在100~300 W激光功率下成形单道表面形貌与缺陷的形成,当激光功率为100~150 W时,单道形貌不规则,且容易形成局部缺陷;在200~300 W功率下,激光功率越大,保证搭接质量的最低搭接率越小,当激光功率为250 W时,应保证单道填充间距不大于0.1 mm。研究成果对SLM工艺参数的调整与优化具有重要的参考价值。     

随动导丝及喷水机构大锥度高速电火花线切割研究

高速往复走丝电火花线切割机床大锥度（≥±5°）切割时,受到诸多因素的影响,尤其是电极丝采用导轮定位产生的结构误差的影响,加上切割时工作液不能很好地包裹住电极丝并随着电极丝沿倾斜方向进入加工区域,使其加工精度和表面粗糙度比直体切割时差很多,对于锥度零件的多次切割特别是大锥度零件的多次切割则显得更加困难,其根本原因是没有能够保持电极丝空间位置及稳定性的随动导丝器和喷水机构。为此,设计了一种随着电极丝倾斜能随动导丝并跟踪喷液的六连杆大锥度随动导丝及喷水机构。通过试验,在相同加工参数条件下,新型随动机构与现有机构相比,圆锥加工误差从80μm减小到40μm,表面粗糙度Ra从4.059μm减小至3.495μm,多次切割后加工精度可以达到25μm（锥度±20°,工件厚40mm）,表面粗糙度Ra达到1.670μm。     

一种表面结构多尺度融合测量系统

提出了一种表面结构多尺度融合测量系统,该系统将显微图像测量、垂直扫描白光干涉测量、白光干涉纳米探针测量和白光干涉金刚石探针测量等多种不同尺度的表面结构测量方法融合在一起。实验结果表明,显微图像测量对300μm标准玻璃线纹尺的示值误差为-0.251μm,标准偏差为0.4013μm;白光干涉测量对1.26μm和3.33μm单刻线样板的测量平均值分别为1.263μm 和3.328μm,示值误差分别为0.003μm和 -0.002μm,示值相对变化量为1.27%和0.63%;白光干涉纳米探针对高度为（106.8±1.0）nm的校准光栅测量平均值为103.1nm,相对示值误差为-3.5%;白光干涉金刚石探针测量对Ra=4.08μm样板的测量值为4.05μm,测得值的相对误差为0.74％。所提出的测量系统满足表面结构的多尺度融合测量要求。     

马氏体时效钢激光选区熔化成形过程介观尺度数值模拟

激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形过程涉及多种发生于介观尺度下的物理现象,采用试验方法难以揭示物理现象复杂的形成规律。以18Ni-300马氏体时效钢为SLM成形材料,采用离散元法与有限体积法建立了SLM成形介观尺度热流耦合数值模型,并结合熔道成形试验验证模型的正确性。结合数值模拟揭示激光功率从60 W增加至270 W时单道SLM成形熔道形貌、熔池尺寸与温度、传热机制等熔池行为的基本特征;研究在0.2 J/mm、0.3 J/mm和0.45 J/mm线能量密度下不同激光功率和扫描速度组合对熔道形貌、熔池尺寸与传热机制的影响规律;结合熔道搭接理论模型计算激光功率180 W和扫描速度600 mm/s组合下无搭接缺陷的扫描间距理论临界条件约为83μm,并研究80μm、100μm和120μm扫描间距下多道多层SLM成形熔道搭接行为和演变规律。该模型可用于筛选工艺参数区间,提高工艺优化效率,为单层/多层成形的工艺试验提供指导。     

基于应变梯度塑性理论的微塑性成形力学性能

不同厚度的T2紫铜试样的单向拉伸、微硬度和微弯曲试验表明,材料的力学行为与内禀的材料特征参数相关：厚度为30μm的板材,其拉伸强度比厚度为150μm的板材提高了28%,平均晶粒尺寸D为50μm的细晶,其拉伸强度比平均晶粒尺寸D为120μm的粗晶拉伸强度提高了33%,拉伸时呈现出“越小越强”的特征;当压痕深度与板材厚度的比值大于0.2时,压入深度越大,压痕硬度越大,呈现出“越大越硬”的现象;回弹角随板料厚度的减小而增大,当材料厚度小于一定值（0.06mm）时,材料的应变梯度硬化效应使得回弹角随板料厚度的变化更为剧烈,这种变化与采用应变梯度塑性理论预测的结果基本一致。     

轴颈倾斜对静压气体径向轴承静态特性的影响

为获得轴颈倾斜对静压气体径向轴承静态性能的影响规律,采用有限差分方法数值求解考虑轴颈倾斜下的稳态Reynolds方程,分析不同轴颈倾斜角度下轴承静态特性参数的变化情况,结果表明:不同轴颈倾斜角度下轴承气膜厚度基本相同;轴承周向角度从90°增大到270°时,轴颈倾斜角度越大,轴承气膜压力越小,轴承周向角度从270°减小到90°时,轴颈倾斜角度越大,轴承气膜压力越大;偏心率一定时,随着轴颈倾斜角度的增大,轴承的静态承载力减小,静态刚度、摩擦因数、气体质量流量、静态力矩和角刚度均增加。     

Research on the fabricating quality optimization of the overhanging surface in SLM process

Overhanging surface is inherent geometric restraint during selective laser melting (SLM), which is suitable for various complex parts fabrication. In order to improve the fabricating quality of overhanging surface, a series of experiments were designed to investigate the effects of inclined angle, scanning speed, laser power, accumulated residual stress, and scanning vector length on overhanging surface fabrication. Analysis found that overhanging surface would warp easier when the inclined angle and the scanning speed became smaller and the warping trend will be larger as the laser power became larger. The relationships of laser power, scanning speed, and the critical inclined angle were mutual restraint, that is, larger inclined angle will be designed when the laser power becomes larger and scanning speed gets smaller, or vice versa: the selection of the fabricating parameters will be determined by established inclined angle of the overhanging surface. More serious warp would happen as the processing layers increased as a result of residual stress accumulation, and it was found that longer scanning vector were more helpful to stress accumulation, leading to more serious warp than shorter vector. At last, two effective methods were adopted to optimize overhanging surface fabrication, including adjusting part orientation to improve the inclined angle at the key position, and controlling regional parameters to reduce energy input. Above two ways were adopted to manufacture complex parts with typical overhanging surface, the results proved that adjusting part orientation and controlling regional parameters were effective ways to improve the fabricating quality of overhanging surface. In this study, the basis for building overhanging surface by SLM was provided from the view of process and design, and the preliminary solutions were proposed to manufacture complex metal parts with lower risk.     

选区激光熔化医用316L多孔结构的多目标工艺优化

为解决选区激光熔化技术成形医用多孔结构成形质量较差的问题,研究了工艺参数对316L成形样件致密度、孔隙率差值和表面粗糙度的影响,结合灰色关联分析方法建立了多元非线性预测模型。结果表明,预测模型的拟合度可达96.85%,最优工艺参数分别为激光功率250 W、扫描速度800 mm/s、扫描间距0.08 mm。优化后的灰色关联度达0.9195,得到样件的致密度为99.25%,孔隙率差值为0.60%,表面粗糙度均值为4.39 μm。致密度与激光功率正相关,随着致密度的增大,扫描速度和扫描间距呈现先增大再减小的趋势,孔隙率差值和表面粗糙度与激光功率、扫描速度、扫描间距均保持先减小再增大的趋势。结合激光体能量密度概念,揭示了工艺参数影响成形质量的原因,体能量密度为109.65～145.83 J/mm3时粉末的熔化状态最好。     

基于选区激光熔化温度场数值模拟的支撑结构优化

添加支撑结构在选区激光熔化中必不可少,零件的悬垂特征需要添加支撑结构,起到固定零件和散热的作用,若悬垂特征热量积聚过大,会导致翘曲变形、塌陷、残余热应力等缺陷。研究了支撑结构对选区激光熔化温度场的影响,并设计优化了一种具有良好综合导热性的支撑结构。首先建立选区激光熔化三维有限元模型;然后研究传统支撑结构对温度场的影响;最后基于数值模拟结果对支撑结构进行设计优化,并通过有限元分析和制造实验进行验证。实验结果表明,与传统的支撑结构相比,由新支撑结构支撑的薄板顶部烧结层平均节点温度最低、温差较小,可表现出良好的综合导热性,且薄板翘曲变形程度显著降低。     

选择性激光熔化成形TC4钛合金开裂行为及其机理研究

裂纹是选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)成形Ti6-Al-4V(TC4)钛合金过程中最常见、破坏性最大的一种缺陷。采用逐行交替的扫描策略制备TC4钛合金试样,利用扫描电子显微镜及X射线能谱分析等检测方法,研究SLM成形TC4钛合金过程中裂纹的开裂行为及其形成机理。结果表明,SLM成形TC4钛合金所产生的裂纹为冷裂纹,具有典型的穿晶开裂特征。采用逐行交替扫描策略成形的TC4钛合金,其组织为网篮状马氏体组织。SLM成形过程中高温度梯度导致制件内部存在较高的残余应力,抗裂强度较差的马氏体组织在残余应力的作用下而产生裂纹,粗大的裂纹最终分解为较小的裂纹而终止扩展。进一步分析认为,通过调整成形工艺参数,可以改变制件组织,同时削弱残余应力,从而达到减弱或消除裂纹的目的。     

基于模型分解的机器人GMAW焊接熔敷成形方法研究

目前大多数熔敷成形技术的成形方向是固定不变的,使得具有倾斜面或悬臂结构的零部件成形时必须借助支撑结构.支撑结构的熔敷与去除造成材料浪费,降低成形效率.针对机器人GMAW焊接熔敷成形系统多自由度特点,根据零件几何特征将零件几何模型分解为不同的特征体,使得各特征体能够被赋予不同的成形方向、起始熔敷成形面及成形顺序,从而消除...     

高速微铣削铝合金表面粗糙度的多指标正交试验研究

利用小型高速精密微铣削机床在6061铝合金表面加工微沟槽结构,对加工后的试件表面质量进行研究,以试件表面粗糙度Ra、Rz值为衡量指标,利用正交试验方法分析主轴转速、刀具悬伸量、进给量和轴向切深等因素对表面质量的影响。试验结果表明：试件表面粗糙度值整体变化趋势从大到小依次为中线区、顺铣区、逆铣区。主轴转速对表面粗糙度影响最显著,而其他因素随着表面质量要求的不同有所变化。综合考虑表面质量要求,最优组合为:刀具悬伸量为18mm,轴向切深为10μm,进给量为30mm/min,主轴转速为48 000r/min时,试件表面粗糙度最小,此时表面粗糙度Ra值为0.075μm,表面粗糙度Rz值为0.579μm。     

激光选区熔化的风场仿真与流道结构优化

针对激光选区熔化的黑烟残留问题,基于E-Plus-M250激光选区熔化成形设备,运用ANSYS ICEM CFD、ANSYS FLUENT等软件对保护气供气流道截面与成形仓黑烟产生区域的截面进行仿真模拟,并根据仿真结果对保护气供气流道进行结构优化。结果表明成形仓粉床面的黑烟残留问题是由激光扫描区域风场分布不均匀造成的。对供气流道结构进行多次改进优化与流场仿真,结果表明,理论上可将进风口截面风速分布标准差值从0.472 7降低至0.182 1。实验验证了优化方案的有效性,采用优化后的流道结构能更有效地去除成形仓中激光熔化金属粉末时产生的黑烟。     

非接触式五坐标测量机系统几何参数的辨识方法

针对所研发的非接触式五坐标测量机,介绍了其系统组成及工作原理。采用多体运动学理论与齐次坐标变换的方法建立了系统的测量数学模型。对于数学模型中的未知几何参数,提出了基于测量实物基准的参数辨识方法,实现了对三个未知几何参数的辨识。实验结果表明该方法是有效、可行的,三个几何参数辨识的重复误差都在2μm以内。     

航天器元件多参数综合可靠性环境试验研究综述

综述了航天器元件综合可靠性环境试验研究的背景、意义及国内外研究现状,提出了高线加速度、振动、温度、气压、噪声五参数的综合环境试验样机的研究步骤和技术方案,针对方案实现的几个关键技术问题——离心机动平衡问题、振动台动圈的纠偏问题、离心机机臂的抑振问题、离心加速度场作用下的温度场及声场控制问题进行了简要分析并提出拟解决的办法。