晶体取向对激光快凝重熔区组织形态的影响

利用5kWCWCO2激光器对DD2单晶合金进行了表面熔实验,研究了基材晶体取向对重熔区微观组织生长方向的影响,结果表明：熔池中微观组织的生长方向强烈地受基材晶粒取向和激光束扫描方向的影响。在同一晶面上,沿不同晶向进行扫描时,重熔区组织生长方向明显不同,枝晶生长条件下,择优取向对枝晶生长方向的影响要较热流的影响大。     

激光重熔熔池凝固组织的实时观察研究

采用透明模型合金丁二腈-2.0%(质量分数)乙醇(SCN-2.0%Eth),实时观察了在单晶基材(001)晶面上进行激光重熔时,扫描方向偏离基材[100]晶向不同角度时熔池内枝晶生长的演化过程.研究发现,当沿平行[100]晶向的方向进行扫描时,熔池最后演变为[010]枝晶列和[01ˉ0]枝晶列平行对称生长;当扫描方向与[100]晶向的夹角为20°时,整个熔池呈现不对称振荡生长模式,即一侧一直呈[01ˉ0]枝晶列生长,另一侧呈[100]枝晶列和[010]枝晶列相互竞争交替生长;当扫描方向与[100]晶向的夹角达45°时,熔池一直呈现为[100]枝晶列和[01ˉ0]枝晶列相互垂直生长.根据枝晶择优生长准则,建立了一个描述熔池内枝晶生长行为的模型,很好地解释了实验结果.结果表明,熔池内凝固组织受熔池形态和基材晶体取向共同影响.     

超高温度梯度快速定向凝固的Cu-Mn合金胞晶间距

利用5kW CW CO2激光器对Cu-31.4%Mn合金进行了一系列表面重熔实验, 就激光束扫描速度对重熔区微观组织生长方向的影响和超高温度梯度快速定向凝固条件下胞晶间距选择规律进行了研究. 实验结果表明 熔池中微观组织的生长方向强烈地受激光工艺参数(激光输出功率和扫描速度)的影响. 通过采用本实验的工艺, 实现了与Bridgman法类似的超高温度梯度快速定向凝固, 其温度梯度可高达106K/m, 速度可高达24.1mm/s. Cu-31.4%Mn在超高温度梯度快速凝固条件下的胞晶间距存在一个分布范围.随生长速度的增大, 胞晶间距减小. 胞晶间距与生长速度的关系为 λmax=1.25v-0.61b, λmin=4.47v-0.52b, λ-=9.09v-0.62b. 实验结果与快速凝固条件下枝晶生长模型(Hunt-Lu模型)吻合.     

激光选区熔化组织分析及人工神经网络力学性能预测

采用激光选区熔化技术（selective laser melting,SLM）制备18Ni300时效模具钢.通过扫描电子显微镜（scanning electron microscope,SEM）,研究试样的枝晶生长取向和凝固组织状态.利用人工神经网络对激光功率、扫描速度和扫描间距进行重要性分析,同时采用BP （back propagation,BP）神经网络以工艺参数为特征对材料的抗拉强度进行预测,应用遗传算法（genetic algorithm,GA）对神经网络权值和阈值进行寻优.结果表明,试样组织主要呈树枝柱状生长,外延生长明显,组织取向主要取决于熔池底部的凝固条件;熔池顶部易发生柱状晶向等轴晶转变（columnar to equiaxed transition,CET）,可以通过调节工艺参数来控制转变区的大小;热毛细对流导致熔池其它区域也出现枝向转变区.人工神经网络重要性预测结果由大到小的顺序是激光功率、扫描速度、扫描间距,BP拟合结果与实际结果较为接近,决定系数R2=0.73.     

选区激光熔化Inconel 718合金的熔池形态与组织

通过不同扫描速度和扫描方式的选区激光熔化(SLM)技术制备了Inconel 718合金,研究了工艺参数对熔池的形态、凝固组织、晶粒大小和晶粒取向的影响。结果表明,随着扫描速度增加,熔池的深度与宽度的比值增大,曲率增大;而扫描速度为1 450mm/s时,采用单向扫描比十字交叉扫描时深宽比值更大。在熔池内,凝固组织由熔池底部的胞晶向熔池侧面的胞枝晶转变。晶粒以<001>方向择优生长,其晶粒间的取向差角以小角度(<15°)为主。当十字交叉扫描时,随着扫描速度增加,小角度取向差角的分布分数增加。当速度一定、采用十字交叉扫描时,小角度的取向差角占比为62.57%,而采用单向扫描时为47.69%。     

非(001)晶面促进激光单晶熔凝过程中柱状晶外延生长

当激光熔池内的柱状枝晶沿着熔池边界外延生长时,其方向并不严格平行于温度梯度,而是选择与基体一致的择优方向生长,因此基体取向可以影响柱状晶的外延生长行为。在使用激光金属成型/沉积技术修复昂贵的单晶部件时,需要考虑这一特性。现有研究已经实现了(001)晶面上的柱状晶完全外延生长进而获得完整单晶。然而由于叶片形状复杂,实际修复过程中可能会遇到的不同取向表面。论文对(001)和非(001)取向表面修复过程中的杂晶形成能力进行了比较研究,通过数值计算获得了控制微观组织的局部凝固变量,并将杂晶晶粒的体积分数作为量化单晶完整性指数。结果表明,与(001)晶面相比,多数非(001)晶面可以促进柱状晶的外延生长,进而获得更好的单晶完整性,实验结果也验证了这一结论。分析显示不同枝晶生长区域的边界是杂晶形成敏感区,两种晶面的差异在于边界数目及其位置。研究结果可以优化修复和制造应用中的沉积方向和激光加工窗口提供指导。     

Fe-0.04%C合金焊缝熔池凝固过程中枝晶生长及溶质浓度分布模拟

基于枝晶生长的扩散界面模型,改进元胞自动机法,并结合有限差分法,综合考虑浓度场、温度场以及熔池形状,建立Fe-0.04%C(质量分数)合金枝晶生长和溶质浓度分布模型。模拟单个等轴晶的生长形貌及枝晶尖端生长速度随时间的变化关系、多个等轴晶的生长形貌和溶质浓度分布、柱状晶的生长形貌和耦合温度场后的柱状晶-等轴晶转变过程,并与实验进行对比。结果表明:取向角对枝晶形貌有一定的影响;枝晶尖端生长速度随时间的延长最后趋于稳定;熔池形状影响柱状晶生长形貌;溶质主要富集在枝晶根部及晶界处。模拟结果与实验结果吻合较好。     

激光增材制造Nb合金化GH4169合金组织分析

采用球磨合金化的方式,在常规GH4169合金粉末中添加Nb元素,利用激光增材制造技术成形了具有不同Nb含量的GH4169试样,研究了Nb含量对激光增材制造GH4169合金组织的影响。结果表明：激光增材制造Nb合金化GH4169合金显微晶粒结构仍为粗大柱状晶组织;随着Nb含量的增加,合金粉末在熔池中合金化反应放热量增多,使得柱状晶的生长方向由偏离激光束中心向外生长逐渐变化为朝向激光束中心向内生长。由于熔池中溶质浓度和粉末熔化放热量的增加,使得枝晶间γ+Laves共晶组织的数量增多,逐渐形成连续网状的共晶组织;DSC分析结果发现,随着Nb元素添加量的增加,共晶Laves相的初熔点升高,枝晶干γ相的熔点略有降低。另外,合金化改变了初生γ相的成分,枝晶干Nb元素含量最高浓度达到7.5wt.%,合金固溶强化作用得到加强。     

激光熔丝增材制造过程的温度与组织演变研究

激光熔丝增材制造工艺参数对凝固组织特别是晶粒尺寸有重要影响,从而影响成形件的性能.基于有限元方法对激光熔丝增材316L不锈钢过程的热历史进行了仿真,研究了不同增材工艺对晶粒尺寸的影响.结果表明,模拟得到的熔池尺寸于与实际相吻合,在垂直于扫描方向和厚度方向均有能量传递.随着扫描速度的增加,成形过程的最高温度减小.单层组织的底部区域为胞状晶、中部区域为粗大的柱状树枝晶、顶部区域为细小的等轴晶,柱状树枝晶的一次枝晶间距随扫描速度的增加而减小.     

激光重熔扫描速度对Co基合金凝固特性及显微组织的影响

提高扫描速度可使Ｃｏ基合金经激光表面重熔处理后显微组织明显细化。通过定量金相法测定枝晶二次臂间距查明,扫描速度提高一个数量级,熔池中部的二次臂间距减小一半。依据传统的凝固理论,结合激光重熔三维流场和温度场模型计算出的冷却速度和Ｃｏ－Ｃｒ－Ｃ－Ｗ集团一元要图,计算出不同扫描速度下熔池中部的二次臂间距,计算结果和实验结果符合得很好,成功地从理论上解决了实验结果,建立了激光重 工艺和     

Development of microstructures in laser surface remelting of DD2 single crystal

Detailed experiments were carried out to investigate the effects of crystallography on the microstructure evolution during the solidification of the laser molten pool with a DD2 single crystal specimen using a 5 kW CO₂ laser. The experimental results showed that crystallographic effects can influence dendrite growth by favoring growth along a preferred crystallographic direction, and crystallographic effects are greater than that of heat flux during dendrite growth. On the same crystal face, the microstructures in the molten pool are very different when laser beam scanning along different crystal orientation. The same conclusions can be obtained by laser beam scanning along a fixed direction on different crystallographic surface. A growth velocity analysis was carried out during laser surface remelting processing based on a minimum velocity or minimum undercooling criterion and the relationships between dendrite growth velocities in the three <100> directions, moving velocities of the solid/liquid interface and laser scanning velocities for the different crystallographic orientations were also set up. According to this analysis, the reconstructed and predicted molten pools concurred with the experimental results very well.     

粉末烧结钕铁硼激光熔凝层的易磁化轴取向

研究当各向异性粉末烧结Nd15Fe77B8永磁体的磁化方向分别与x,y,z轴平行时,其上激光熔凝层中Nd2Fe14B胞柱晶的易磁化轴的取向特征.采用XRD,SEM,Bitter粉纹等实验方法对粉末烧结Nd15Fe77B8永磁体表面的激光熔凝层进行了分析.结果表明:当磁体的磁化方向分别与x,y轴平行时,其上激光熔凝层中Nd2Fe14B胞柱晶的易磁化轴具有与粉末烧结基体相同的取向;而当磁体的磁化方向与z轴平行时,其上激光熔凝层中的Nd2Fe14B胞柱晶的易磁化轴在xoy平面内随机分布.在激光快速熔凝条件下,磁体表面激光熔凝层中的胞状Nd2Fe14B的择优生长方向为[100]晶向.     

45钢激光表面合金化熔池立体对流模型探讨

对４５钢上Ｆｅ基合盒粉未激光表面合金化熔池，从三个不同的侧面进行了分析。在理论分析和试验的基础上，提出了激光表面合金化熔池的立体对流模型，同时，对合金层进行成分分析。结果表明：正由于熔池内部的对流，使合金层成分在宏观上趋于均匀。     

Impact of laser scanning speed on microstructure and mechanical properties of Inconel 718 alloys by selective laser melting

China Foundry - Inconel 718 alloys were fabricated by selective laser melting under different scanning speeds to investigate the change of the morphology of molten pool, direction of grain growth,...     

激光熔凝的数值模拟及其在激光定向凝固中的应用

建立了一套激光熔凝的数学模型和计算方法 ,给出了两种条件下熔池深度与扫描速度的关系曲线。计算结果与实验值吻合良好 ,验证了模型的有效性。根据计算分析了激光工艺参数与激光定向凝固组织的关系。据此通过工艺参数的匹配 ,在熔池顶部得到了与扫描方向完全一致的凝固组织     

激光快速成形过程中粉末与熔池交互作用的数值模拟

建立了描述激光快速成形过程中气/粉两相流送粉、粉末与熔池交互作用及激光熔覆成形温度场的联合模型.采用有限单元生死技术模拟了熔池形成和自由界面形状演化及熔覆层的沉积过程:根据界面温度与粉末粒子动量损失状况模拟了熔池对粒子的捕捉以及工件对粉末的反射,并采用Lagrangian粒子追踪模型实现了对粉末颗粒的跟踪.在此基础上,模拟了激光快速成形过程中316L不锈钢粉末、激光与熔池的交互作用过程.计算结果与实验结果吻合.     

激光表面熔覆制备ODS Ni基高温合金涂层的凝固组织

采用横流CO2激光，在Ni基高温合金表面制备了纳米Al2O3弥散强化(ODS)Ni基合金熔覆层。利用光学显微镜、扫描电镜及EDS附件分析了熔覆层的组织结构。结果表明：界面晶粒的生长方向为垂直于界面的“外延式”生长；加入纳米Al2O3，界面的生长形态发生变化，由细长的柱状树枝晶转变为较短的树枝晶；纳米Al2O3含量增大至1％时整个断面获得等轴枝晶组织；纳米Al2O3作为异质形核的核心，细化了组织。     

激光选区熔化致密度预测模型建立与工艺验证

致密度是评价增材制造成型件性能的重要参数之一,而高致密度成型件对应的工艺参数需要大量实验研究获得。针对该问题,本文建立了基于工艺参数的熔池致密度预测模型,能够有效地预测熔合不良引起的孔隙,进而为激光选区熔化工艺参数的选择和优化提供更多的参考。模型采用有限元分析和数值计算软件获得熔池尺寸以及模拟多层多道次的熔池拼接形貌,并预测工艺参数对应的致密度。同时在熔池预测模型中引入了波动系数、偏转角度以及层间扫描转角,以此兼顾熔池尺寸波动、熔池倾斜以及层间扫描转角对熔池模拟结果的影响。最终通过HR-2不锈钢选区激光熔化实验对预测模型的可行性进行验证。结果表明,模型预测结果与成型件熔池实验结果吻合较好,致密度预测结果与实测偏差在2%以内。     

电渣熔铸速度对金属凝固组织的影响

采用移动传热边界法及CAFE法,模拟了在不同熔铸速度下铸锭晶粒的生长过程以及二次枝晶臂间距的分布,进而探讨了熔铸速度对铸件凝固质量的影响。结果发现,电渣熔铸过程中,金属熔池的形状决定了柱状晶的生长方向。随着熔铸速度的增加,生长方向与熔池上升方向之间的夹角也增大,这会造成铸件力学性能的降低。二次枝晶臂间距是决定铸件冶金质量的一个重要因素,其是铸件局部冷却速度的函数。随着熔化率的增加,二次枝晶臂间距减小,这有利于减小铸件中的晶内偏析及显微缩孔的产生,从而有利于提高铸件质量。熔铸速度是电渣熔铸过程的主要控制参数,对铸件凝固质量有很大的影响,太高或太低的熔铸速度均会造成铸件凝固质量的降低。