激光同轴送粉增材制造TiAl合金的性能

将Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉和铌粉进行机械混合,然后采用激光增材制造工艺成功制备出γ-TiAl合金样品,研究了激光功率、扫描速率和送粉量对沉积成形的影响规律,分析了沉积层的显微组织、相组成、断口形貌及沉积层的硬度分布。研究结果表明:随着激光功率增大,沉积层宽和层高均增大;随着扫描速率增大,沉积层宽和层高均减小;随着送粉量增大,沉积层的宽度增大,沉积层的高度基本不变;最佳工艺参数下得到的沉积试样成形良好,无冶金缺陷存在,沉积层由大量γ相和少量α_2相组成;沿沉积试样Z方向的室温压缩屈服强度为905 MPa,抗压强度为1542 MPa,压缩率14.7%,抗拉强度为425 MPa,断后伸长率为3.3%;压缩试样和拉伸试样的断口均为准解理断口。     

激光光内送粉仰面熔覆工艺研究及优化

利用激光光内送粉熔覆技术,在与水平方向成大于90的仰面基体下表面进行了单道熔覆实验研究。分析了仰角、保护气压力与光粉耦合处粉束直径之间的关系;研究了仰面姿态下熔覆层的宽度、高度以及熔池的流淌下垂趋势受激光功率、扫描速度的影响规律。研究发现,光粉耦合处粉束直径随仰角的增大而变大,随保护气压力的增大而减小。基体仰面与水平姿态下,工艺参数对熔覆层的宽度、高度的影响规律保持了较好的一致性;熔池在重力作用下,激光功率、扫描速度以及仰角的变化对熔覆层高度的影响更加显著;熔道顶点的偏移随激光功率的减小、扫描速度的增大和仰角的增大而逐渐增小。保持送粉量和离焦量不变,利用优化后的激光功率、扫描速度,以及保护气压力,获得了最大仰角达150、且具有较好尺寸精度和组织性能的激光熔覆立体成形件。     

同轴送粉激光定向能量沉积IN718的数值模拟

针对同轴送粉的激光定向能量沉积(DED),结合送粉方程与VOF (Volume of Fluid)方法,提出了沉积层计算模型,采用固定坐标系下的移动边界条件,对单道IN718成形过程进行了实时模拟,并进行了实验验证。结果表明:在单层单道沉积加工下,随着扫描速度从8 mm·s~(-1)增加到14 mm·s~(-1),沉积层高度和宽度分别减小了57.1%和21.6%,计算所得沉积层高度、宽度及熔深与实验结果吻合良好。在此基础上,计算了在单向平行搭接方式下搭接率为30%的单层双道沉积层温度场分布,得到了不同搭接时刻沉积层的温度变化规律。受第一沉积层热累积的影响,熔池潜热效应会使搭接加工时的表面最高温度略低于单道加工时的表面最高温度;同时受搭接沉积层在扫描过程中高温状态的影响,第一沉积层在搭接扫描过程中会出现回温现象,回温区间为1000～1600 K,幅度为100～300 K。该研究成果对深入理解同轴送粉激光定向能量沉积工艺机理以及工艺优化具有重要意义。     

超声波辅助激光熔化沉积Al-12Si合金致密化工艺研究

采用超声波辅助激光熔化沉积法制备了 Al-12Si试样,研究了激光功率、扫描速度、扫描间距及超声波功率对沉积层致密度的影响规律,采用金相显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射技术和拉伸试验分析了工艺优化后沉积试样的微观组织和力学性能.结果表明,沉积试样的致密度随着激光功率、超声波功率的增大而增大,随着扫描速度、扫描间距的增加...     

激光快速成形工艺参数对沉积层的影响

引入回归正交设计(ORD)方法,利用逐步回归模型得到了激光快速成形(LRF)工艺参数以及它们之间的交互作用对沉积层尺寸影响显著的因素。其中,对沉积层高度影响显著的因素是送粉率和扫描速度,对单道沉积宽度影响显著的因素是光斑直径、扫描速度、激光功率与光斑直径的交互作用。同时也得到了主要影响因素与沉积层尺寸的定量关系,并验证了其准确性。     

复合热源钛合金熔丝高质量增材制造工艺研究

针对钛合金熔丝增材制造零件表面粗糙度差、尺寸精度低的问题，提出了高质量复合热源熔丝成形工艺。以激光和焦耳热为热源，选用直径为0.3 mm的TC4钛合金细丝为沉积材料，首先通过焦耳电流预热金属丝，然后以低功率激光加热形成小尺寸熔池，随着基板的运动，金属丝被持续送入熔池并稳定沉积。通过单道沉积试验，研究了工艺参数对单道沉积层几何特征的影响规律。结果表明：当激光功率在50～200 W、送丝速度在60～360 mm/min的范围内变化时，工艺参数对沉积层几何特征的影响显著；当移动速度在30～360 mm/min的范围内增加时，沉积层宽度减小，高度稳定；当焦耳电流增大至10 A时，出现了周期性丝材熔断，恶化了沉积形貌和沉积稳定性。在稳定沉积参数组合（激光功率为125 W，送丝速度为240 mm/min，移动速度为300 mm/min，焦耳电流为8 A）的基础上，以25 W的降序功率梯度进行过渡，优化了坍塌、变形等缺陷，获得了高质量的钛合金薄壁件，其表面粗糙度（Ra）为1.776μm，平均壁厚为0.648 mm，平均壁厚偏差为0.004 mm，优于主流的送丝增材制造工艺，且沉积态试样在移动方向和沉...     

宽带激光熔覆铁基合金显微组织与工艺参数的关系

利用金相检测法计算了单位质量熔覆材料的比能和单位时间实际输人比能.结果表明在扫描速度-定的条件下,单位质量熔覆材料的比能随送粉速率的增大而减小,这种现象随扫描速度的增大而更加显著;在送粉速率恒定的条件下,单位时间实际输入比能随扫描速度的增大而减小,这种现象随送粉速率的增大而更加显著;成功地解释了熔覆层显微组织、陶瓷相WC分布规律与工艺参数之间的关系.     

GH738合金激光沉积修复试验研究

通过正交试验研究了激光功率、扫描速度、送粉速度对GH738合金激光沉积修复单道熔高、熔宽、熔深等特征尺寸的影响规律,优化了工艺参数,获得无缺陷显微组织;分析了多道多层沉积试样熔合不良、裂纹等缺陷产生的原因及组织、硬度分布特点。结果表明:沉积区呈典型的外延生长柱状枝晶,枝晶间析出少量碳化物;相对于基体,热影响区碳化物明显减少,同时热影响区'相尺寸明显增大;沉积区硬度为350~470 HV0.3,热影响区硬度为450~480 HV0.3,均明显低于基体硬度480~510 HV0.3;且沿沉积高度方向硬度逐渐降低。     

混合元素法激光立体成形过程粉末输送性研究

混合元素法激光立体成形(LSF)过程中元素粉末的输送性对沉积试样的化学成分有重要影响,为实现混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末的输送一致性,进而保证沉积试样的化学成分与目标成分一致,对混合元素法激光立体成形过程中的粉末输送性展开研究.结合喷嘴管道内外气-粉两相流分析,建立粉末颗粒在喷嘴管道内外的运动微分方程,揭示元素粉末特性对粉末输送性的影响规律.结果表明,送粉工艺一定的条件下,元素粉末的出口速度和加速度均随粉末密度和粒度的减小而增大.各元素粉末的输送一致性条件为在送粉工艺一定的情况下,各元素粉末流具有相同的出口速度.基于以上的粉末输送一致性条件,获得混合元素法激光立体成形过程中各元素粉末特性的匹配关系,进而保证了激光直接沉积试样的成分与预混合元素粉末成分的一致.     

面向碳纤维增强树脂基复合材料/钢异质结构连接的汽车钢板高速激光毛化工艺研究

为了解决激光连接碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)/钢异质接头中的缩孔问题,采用光纤激光对GMW2钢板进行高速毛化试验,系统研究了激光功率、扫描速度、扫描长度和扫描次数对微凸起宽度和高度的影响,并利用高速摄像实时观察了毛化过程。结果表明,微凸起宽度与熔池宽度相当,增加激光功率或减小扫描速度将导致熔池宽度增加,微凸起宽度也将增加;而扫描长度和扫描次数不影响熔池的宽度,因此微凸起宽度也不发生变化。微凸起高度由蒸气压力、表面张力和液体动压力决定,激光功率增加将导致蒸气压力的增加和表面张力的减小,液态金属向熔池尾部流动的驱动力增大,适当地增加激光功率有利于微凸起的长高,但激光功率过高将产生大量飞溅,导致微凸起高度不稳定;随着扫描速度的增加,蒸气压力、表面张力和液体动压力都将发生变化,熔池液体流动的驱动力和阻力存在竞争关系,导致微凸起高度呈先增加后减小的趋势;扫描长度增加,蒸气压力水平分量增大,驱动力增加,微凸起高度逐渐增大。     

工艺参数对铁基和镍基粉末涂层性能的影响

利用激光熔覆技术分别对Fe105和Ni60合金粉末进行单层单因素实验。采用OLS41003D激光显微镜测量了熔道截面形貌、尺寸及组织；利用显微硬度仪测量了Fe105和Ni60涂层的显微硬度。结果表明,功率对Fe105和Ni60合金粉末熔宽、熔深和熔高的影响呈正相关；扫描速度对熔道熔高、熔宽和熔深呈负相关；随着送粉量增加,熔高增加,熔深下降。与Ni60显微组织图相比,Fe105合金粉末的晶体排列更规则,晶粒细小；Fe105与Ni60涂层平均显微硬度都高于484.63HV,Fe105涂层显微硬度总体略高于Ni60涂层。     

激光熔覆工艺参数对Fe W B熔覆层质量的影响

采用激光熔覆技术在65Mn钢表面熔覆FeW B三元硼化物熔覆层。通过单道熔覆与单层多道熔覆实验,探究激光功率、扫描速度、送粉速率、搭接率对熔覆层质量的影响,获得优化激光工艺参数组合。并通过光学显微镜、X射线衍射仪和维氏硬度计对熔覆层进行分析。结果表明:工艺参数对熔池高度与熔池宽度的影响程度由小到大排列为:送粉速率、扫描速度、激光功率,对维氏硬度的影响程度由小到大排列为:扫描速度、送粉速率、激光功率。获得的最优工艺参数组合为:激光功率800W,扫描速度3mm/s,送粉速率4 g/min,搭接率50。此时熔覆层的维氏硬度均值为7579 HV,是基材的35倍。熔覆层与基材冶金结合良好,其微观组织由枝状晶、胞状晶和柱状晶组成。     

激光沉积成形熔池尺寸分析与预测

激光沉积制造过程中,单道沉积宽度主要受激光熔池宽度的制约,稳定的熔池是保证成形精度的前提。为了建立工艺参数激光功率、扫描速度以及送粉速率与熔池尺寸之间的经验模型,采用非匀速段关光控制及卡尔曼滤波技术对采集的熔池测量数据进行去噪处理,以实现成形过程熔池宽度的精确检测,为熔池宽度预测精度提供了保证。基于正交试验建立了多元回归模型,其拟合优度可达94%,最大误差不超过4.5%。经单一变量试验方法验证,结果表明熔池宽度与激光功率呈正相关,与扫描速度呈负相关,实验结果与回归分析结果具有较好的一致性。     

激光内送粉变宽扫描成形变壁厚扭曲叶片

传统激光熔覆增材制造方法一般采用等线宽扫描,难以实现单道连续变宽成形。设计了变壁厚扭曲叶片模型,利用光内送粉喷头直接变焦法变化光斑直径,采用层高控制系统测量不同宽度处的实际堆积高度。设计PI控制器,通过变化扫描速度,控制不同宽度处的熔道堆积层高一致,保证成形精度。通过连续变焦与闭环控制算法,实现了变壁厚扭曲叶片激光熔覆连续变宽扫描成形。结果表明:扭曲叶片在壁厚2.52~6.18 mm范围内均匀变化,最大壁厚误差为-0.58 mm;各段高度大致相同,最大高度误差为-0.22 mm;不同壁厚处的显微组织较为致密均匀。     

H13钢表面激光熔覆层稀释率及强化效果研究

为了改善H13钢的表面性能,利用YLS-4000型光纤激光器在H13钢表面熔覆镍基涂层,采用正交试验法,对不同工艺下的熔覆层表面形貌、几何参量、稀释率、微观组织、显微硬度进行了检测分析。结果表明,激光功率最小而送粉速率最大时（P=1800W,v_f=1.0g/s）表面凹凸不平;激光功率和扫描速率最大时（P=2200W,v_s=25mm/s）表面出现裂纹;当稀释率η < 10%时,熔覆区平均硬度（大于800HV）为基体硬度（246HV）的3倍以上,强化效果显著;当稀释率η>25%时,熔覆区下部受熔化基体的稀释作用硬度较低;稀释率随着激光功率与扫描速率的增加而增加,随着送粉速率的增加而降低。通过调整工艺参量可获得表面平整光滑、组织致密、强化效果显著的熔覆层。     

2Cr13不锈钢粉末激光直接堆积成形的组织与性能研究

为说明激光直接金属堆积(DMD)成形件的组织与性能特点,进行了2Cr13不锈钢粉末的直接成形实验研究.检测了不同工艺参数组合下单道熔覆、多道搭接和多层堆积的显微组织形貌,测试了2Cr13零件的硬度、耐磨损、拉伸和残余应力等性能.研究表明,单道熔覆的典型组织有柱状、胞状枝晶和等轴晶三种,其相互转化由温度梯度和凝同速率所决定;由于粉末实时供给,搭接区与预置熔覆有很大不同;多层堆积枝晶生长表现出一定倾斜性,受扫描方式影响较大;不同工艺参数下,熔覆层平均硬度为300～550 HV0.2;当组织为细化的树枝晶时,成形件耐磨损件能可比涮质态2Cr13提高一倍以上;成形件的平均抗拉强度比调质态2Cr13提高30%;直薄壁墙零件不同位置处残余应力不同,但残余应力水平较低.     

柔性仿生磁性微结构的制备与驱动

根据自然界中一些在黏性介质中游动的生物的运动原理,制备了一种由磁性头部和无磁性尾部构成的柔性仿生微结构,可通过均匀振荡磁场驱动。结合振荡磁场的产生原理建立运动学模型,以分析磁性微结构在振荡磁场驱动下的振荡特性。在驱动过程中分别设置磁场的振荡角为60°、90°和120°,微结构的游动速度随着磁场振荡角的增大而增加。通过研究微结构在驱动过程中的频率响应,确定了微结构在振荡角为60°、失步频率为15 Hz时,获得的最大游动速度为105μm/s,而当振荡角为90°和120°、失步频率为25 Hz时,获得的最大游动速度分别为117和179μm/s。低于失步频率时,游动速度随着频率的增加而增大,但是高于失步频率后,游动速度随之降低。结合微结构的振荡模型,分析了失步的原因,并论证了微结构的振荡角和振荡频率在频率响应中的作用机制。