基于钛合金丝材的增材制造技术研究进展

金属增材制造技术自诞生以来,经快速发展,已在诸多领域得到了广泛的应用,被列入决定未来经济的十二大颠覆性技术之一。基于丝材的金属增材制造技术由于其沉积效率高、制造成本低、制造周期短和材料利用率高,近年来成为国内外研究和应用的热点。本文以钛合金丝材为原材料,针对广泛采用的电弧/等离子弧熔丝、电子束熔丝和激光熔丝增材制造技术,分别从成形工艺参数优化、宏微观组织结构分析、后热处理组织性能调控及专用原材料开发等方面所取得的最新研究成果进行了详细论述。在此基础之上,介绍了基于钛合金丝材的增材制造在工程化应用及相关标准规范的制定情况。最后,指出钛合金丝材增材制造技术在组织和性能等方面存在的固有不足,提出了采用锻造+增材复合成形复合后处理和专用丝材研制等方法,并建立有别于传统锻造和铸造的新标准体系,有助于推广其在各领域的大规模应用。     

增材制造用钛合金粉末的制备现状

钛合金因其具有高的比强度、比刚度和良好的耐腐蚀性能,广泛应用于航空航天、汽车以及增材制造等领域。球形钛合金粉末是增材制造的核心原料,对3D打印产品的质量起着关键作用。目前增材制造用钛合金粉末的主要制备方法包括电极感应熔炼气雾化法(EIGA)、等离子旋转电极雾化法（PREP）和氢化脱氢—等离子球化联合法（HDH-PS）等,介绍这些制备方法的原理及研究现状,探究钛合金球形粉末制备技术的影响因素,进而展望增材制造用钛合金粉末技术未来的发展方向。     

钛合金的环保电化学抛光工艺

针对航空用钛合金开发了一种不采用氢氟酸、甲醇、铬酐类等有毒物质的低毒、无刺激、环保型电化学抛光工艺,并采用光学显微镜、原子力显微镜等方法对电化学抛光后的钛合金表面形貌进行研究.该工艺所用溶液由无水乙醇、乳酸、高氯酸和高氯酸钠组成,将Ti-10V-2Fe-3Al钛合金在直流电源恒电流模式下电化学抛光,可以通过改变抛光时间、电流密度和高氯酸浓度等参数控制腐蚀深度.分别在体积分数为5%,10%和15%的三种高氯酸溶液中和在20,25和30 A·dm^-2三个电流密度下进行电化学抛光.抛光后的钛合金表面形貌观察结果表明:在高氯酸含量较低(5%)的溶液中以20 A·dm^-2电流密度抛光可以取得较理想的效果.     

球形钛合金粉末制备技术及航空增材制造应用研究进展

钛合金具有高强轻质耐高温的特点,因而成为拥有巨大前景的航空结构材料。传统的机械制造工艺难度大、成本高,限制了钛合金的应用。增材制造(AM)作为新兴的先进制造技术,可以通过逐层加工的方式制造出具有较高三维精度的金属部件,从而实现钛合金的近净形加工。因此,首先介绍了球形钛合金粉末制备技术,其中包括等离子旋转电极雾化法（PREP)、电极感应气体雾化法（EIGA）、等离子体雾化（PA）和等离子球化技术（PS）等,对比4种球形钛合金粉末的制备技术和优缺点,以及在航空增材制造的应用,包括激光选区熔化（SLM）、电子束选区熔化（EBSM）和激光熔化沉积（LMD）等,总结了不同钛合金粉末制备技术在航空增材制造的应用特点和发展趋势,并指出钛合金增材制造未来发展的关键是低间隙钛粉的制备,增材制造设备高精度、高效率和大型化将是未来的发展趋势。     

高温钛合金及钛基复合材料增材制造技术研究现状

高温钛合金及钛基复合材料因具有比强度高、比刚度高、耐腐蚀、耐高温等优异性能,近几年来受到了广泛的关注。钛基复合材料的力学性能往往与增强相组织有关,增材制造技术的快速凝固可以使颗粒增强钛基复合材料中晶粒细化,力学性能得到提升。本文综述了高温钛合金及钛基复合材料的研究进展,分析了增强相组织对材料力学性能的影响,总结了增材制造技术制备钛基梯度功能材料的应用。通过增材制造技术制备钛基复合材料不仅可以提高复合材料的硬度和强度,还可以提高复合材料的延展性,采用增材制造技术制备高性能钛基复合材料将会成为未来的发展趋势。     

电弧增材制造钛合金成形工艺与过程控制

电弧增材制造（wire arc additive manufacturing, WAAM）技术被认为是制造大型钛合金构件最具前景的增材制造技术之一。然而,成形过程稳定性差、成形件表面质量及尺寸精度低是制约WAAM钛合金构件推广运用的主要瓶颈,对WAAM成形过程进行实时监测及反馈控制是解决这一难题的重要研究方向,也是当前WAAM钛合金研究的热点之一。对于WAAM钛合金的高效稳定成形而言,成形机制的研究是基础,工艺及装备的优化是保证,成形过程的监测与控制是关键。简要介绍了WAAM钛合金的成形工艺、装备及其运用,指出了成形件组织及力学性能的特点及其调控方法。通过对WAAM钛合金常见缺陷及其形成机制的分析,指出了WAAM装备设计与工艺优化的方向。总结了WAAM成形过程中基于视觉信号、电信号、声信号及多信号融合的在线监测方法,综述了成形过程控制方法及控制系统的发展。最后,对全文进行了总结,展望了未来WAAM钛合金成形与控制领域值得深入研究的方向。     

镁合金增材制造技术刍议

镁合金是当前使用的最轻质的金属结构材料,相比于其它金属结构材料具有高比强度、高比刚度的优点。除此以外,镁合金还能够回收再利用。镁合金的这些特质能够在一定程度上促进工业领域实现轻量化,具有较为广阔的应用前景。增材制造技术则是近年来兴起的一种较为先进的制造技术,制造效率要远远高于传统制造技术。两相结合,镁合金增材制造技术的研究无疑拥有较好的应用前景。     

增材制造TiAl基合金的研究进展

TiAl基合金具有优异的高温性能,是一种极具竞争力的新型轻质高温结构材料,在汽车、军工、航空航天等领域具有广阔的发展潜力和应用前景.然而,TiAl基合金室温脆性较大,成形困难,是阻碍其发展与应用的主要瓶颈之一.增材制造基于"离散+堆积"的成形思想,以激光、电子束、电弧等作为高能热源,通过熔化丝材或者粉末,逐层堆积实现零...     

TC4-DT激光熔丝增材制造微观组织与力学性能研究

激光熔丝增材制造技术在航空航天、海工船舶等领域应用前景广阔.针对TC4-DT材料,在初步优化的工艺参数下,通过激光熔丝增材制造技术制备金属试样,并对试样进行固溶-强化热处理,研究激光熔丝沉积态及热处理态的微观组织、缺陷及室温拉伸力学性能.研究发现,激光熔丝TC4-DT成形态组织为粗大的柱状晶及针状α'马氏体,热处理后转...     

人工植入缺陷对增材制造TC4钛合金性能的影响规律

采用激光选区熔化（Selective Laser Melting, SLM）的增材制造成形技术制备内含人工设计缺陷的TC4钛合金样品,研究了预埋缺陷的尺寸、位置对成形合金室温拉伸性能的影响规律。结果表明：由于SLM成形过程人工植入缺陷内包含的合金粉末无法排出热处理后在孔洞缺陷表面烧结,导致缺陷实际尺寸较设计尺寸略小。当预埋缺陷直径小于0.7 mm时,合金抗拉强度基本保持不变,试样均从非预埋缺陷区断裂;当预埋缺陷直径超过0.7 mm后,抗拉强度随缺陷尺寸增大而显著降低,试样均从预埋缺陷区断裂。合金延伸率受缺陷的影响较为显著,随着缺陷尺寸的增大,延伸率整体呈现逐渐降低的趋势,当缺陷尺寸超过0.7 mm后,延伸率急剧降低,缺陷尺寸超过0.9 mm后,延伸率在2%～4%范围内波动。缺陷尺寸超过0.7 mm后,缺陷尺寸是影响增材制造合金强度和延伸率的主导因素。     

增材制造用金属粉末爆炸敏感性研究

针对粉尘云最小着火能量(minimum ignition energy, MIE)、粉尘云最低着火温度(minimum ignition temperature of dust cloud, MIT_C)和粉尘层最低着火温度(minimum ignition temperature of dust layer, MIT_L)等参数, 开展了针对增材制造用金属粉末爆炸敏感性及影响因素的研究。结果表明, 镍合金粉末和不锈钢粉末爆炸敏感性较低, 而钛合金粉末的敏感程度略高于铝合金粉末, 八种粉末的爆炸敏感程度排序为: TA15>TC4>AlSi10Mg>316L>GH4169>GH3536>GH3625/304L。镍合金粉末和不锈钢粉末均不能被点燃; 钛合金、铝合金粉末的MIE和MIT_C均随粉尘浓度的升高呈先降低后升高的趋势, 而随喷尘压力的升高呈先降低后升高的趋势。     

我国激光增材制造研究可视化分析

为全面展示我国激光增材制造热点和发展态势,采集近十年CNKI数据库国内北大核心期刊发表激光增材制造技术论文511篇,借助CiteSpace可视化分析软件进行计量学和知识图谱分析,归纳梳理我国激光增材制造领域研究前沿及演进路径,以期为相关研究者提供有益借鉴。     

增材制造模具的研究进展

介绍了增材制造技术的原理以及几种常用工艺,指出了增材制造技术在模具制造行业的应用优势。重点介绍了增材制造塑料模具钢、热作模具钢和冷作模具钢的最新研究进展及相关成果;阐述了增材制造技术工艺参数(扫描功率、扫描速度和能量密度)对成形件的相对密度、微观组织结构和力学性能的影响以及相应的后处理工艺。最后列举了增材制造在模具行业的应用实例,分析指出了当前增材制造模具面临的挑战和一些相应的解决措施以及今后的发展趋势。     

钛合金增材制造成形偏差及累积机制

激光定向能量沉积（L-DED）是一种点、线、面逐步升维的制造工艺,广泛应用于中大型复杂构件的生产制造。但是在小型构件沉积时会出现比较大的沉积偏差,尤其在极小角度和极小尺寸情况下尤为显著。为此,通过建立的数值模拟模型,系统研究了Ti-6Al-4V (Al:5.5%～6.75%, V:3.5%～4.5%,余量为Ti)两边形构件小角度极沉积、三角形构件极小尺寸沉积,并通过结构温度场以及熔池流场的变化,分析了沉积偏差变化规律和累积机制。结果表明,沉积偏差受到沉积角度和沉积尺寸的影响,单层两边形构件沉积角度由45°变化到15°时,沉积偏差从0.24%变化到1.14%; 10层三角形构件尺寸由14～10 mm变化时,沉积偏差从0.24%变化到5.46%。研究成果为构件几何结构参数的合理制定,以及沉积过程工艺参数选择的可行性提供了有益的启示,对控制小型构件的沉积精度有重要作用。     

增材制造用金属粉末原材料检测技术

增材制造技术又称3D打印,自提出以来受到国内外学者的广泛关注。金属材料的增材制造相比于其他材料难度较大,对于原材料、工艺控制等方面的要求更严苛。针对国内的增材制造用粉末生产及使用情况,本文从金属粉末粒度分布、形貌和流动性检测方法三个方面,结合实际生产、检测的经验,分别讨论了各种粉末检测方法对于增材制造技术的适用性和可行性。     

大型金属构件多机协同增材制造前沿进展

随着中国航空航天、舰船、轨道交通等领域关键金属构件向着大型化、一体化的方向发展,增材制造技术正逐渐成为新一代高强轻质合金结构件的重要制造手段。为突破单一机器人成形效率限制,改善增材成形件的残余应力及组织性能,多机协同式增材制造（MCAM）逐渐成为研究热点。综述了近年来国内外采用MCAM的方式成形大型金属构件的相关研究进展。MCAM技术仍处于理论探索阶段,目前仅对多机器人任务分配算法与控制进行了初步探究,尚未针对多热源协同制造的控形控性机制开展深入研究工作,距离满足大型复杂金属构件的高精、高效、形性一体化成形需求仍有一定距离。后续研究工作可围绕多热源增材组织演变行为和力学性能优化、大型构件应力变形演变机制与调控、多机器人协同在线成形检测与控制等难点开展,支撑新一代大型高强轻质合金结构件的高质量制造。     

NdFeB增材制造技术的研究现状及应用展望

NdFeB稀土永磁体常用于电机或硬盘驱动器,可将电能转换为机械能,其制备过程复杂,涉及多项加工工序。近年来,增材制造等近终成形制造技术迅猛发展,其加工工序具有短流程特点,可大幅降低材料损失、能源消耗、加工周期和人工成本。冷喷增材制造等工艺可用于生产粘结NdFeB磁体。烧结NdFeB磁体的粉末粒度较小,在与增材制造工艺结合过程中难度较大,选择性激光烧结等熔融增材制造法是比较可行的制备方式。间接3D打印技术把3D打印与粉末冶金的挤出打印工艺结合起来,有望应用于NdFeB磁体制备。     

TC4钛合金丝材焊件冲击失效分析

采用钨极氩弧焊接工艺获得TC4钛合金丝材防护架,随后对其进行冲击试验,发现多处焊接点发生断裂失效。为此,研究了TC4钛合金丝材焊接处的组织、显微硬度以及断口形貌。结果表明,在快速加热及冷却的热循环作用下,焊件焊合区域产生马氏体相,主要以α'相形式存在,另有少量的α″相;焊合区域的局部显微维氏硬度平均值达5.5 GPa,是母材区域硬度值的近1.5倍;相比于TC4钛合金丝材弯曲断裂的韧性断口形貌,焊件断口存在解理台阶,为脆性断裂,这主要归结于马氏体的存在使得焊接处塑性和韧性降低。     

增材制造技术制备生物植入材料的研究进展

增材制造技术突破了传统模具加工工艺的限制,可用于高效个性化定制生物医用材料。近年来,医学上对骨骼修复和移植的个性化需求显著增加,增材制造可满足该定制化的需求,促使增材制造技术在生物医用材料领域占据重要地位。随着材料科学技术和计算机辅助技术（CAD/CAM）的发展,可用于增材制造的生物植入材料不再局限于钛系、钽系、钴铬钼等合金,聚醚醚酮、磷酸钙盐等非金属类材料因良好的生物相容性也得到了广泛应用,增材制造技术制备仿生人造骨植入体成为新的研究热点。本文介绍了增材制造技术的原理,对激光、电子束、光固化等增材制造技术进行了比较,并阐述了增材制造在生物植入体和医疗器械方面的应用现状,对增材制造技术在医疗领域的应用及发展做了展望。     

增材制造NiTi合金研究进展

NiTi作为一种形状记忆合金,具有优异的形状记忆效应、超弹性、耐腐蚀性、生物相容性,在生物医用、航空航天、微机电等领域均有着广泛的应用.增材制造(additive manufacturing,AM)技术作为一种新兴的加工方式,能够提高NiTi合金加工效率,并扩展NiTi合金应用领域.本文介绍了近年来国内外增材制造NiT...