基于光固化技术增材制造陶瓷和金属的研究进展

增材制造是目前极具发展潜力的前沿技术之一。光固化增材技术作为增材制造的一个分支,具有高效、低能耗和成型精度高等优点,可解决传统工艺制备复杂结构金属和陶瓷存在的周期长、加工困难和成本高等问题,具有良好的经济和技术优势。光固化成型致密/多孔氧化物陶瓷已被广泛开发,并成功应用于微电子组件、光子晶体和骨科植入物等领域,但光固化非氧化物陶瓷和金属材料的应用基础理论和成型技术还未十分成熟,适宜于光固化工艺的陶瓷和金属浆料的制备仍面临很多挑战。本文综述了光固化增材制造氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷和金属材料的研究进展,从浆料制备、光固化成型和后处理三个阶段分析了光固化增材制备三种材料的主要技术难点和可能的解决方案,最后指出了光固化陶瓷和金属材料的未来发展方向。     

增材制造金属结构件残余应力的研究进展

增材制造技术近年来取得了重大进展,金属增材制造可以三维成型精度高的复杂形状零件,在各行业的应用中具有独特优势。然而,增材制造金属零件成形时由于高温度梯度会引起复杂残余应力。简要分析了增材制造技术的特点,重点总结了激光选区熔化和电弧增材制造的工艺原理。在此基础上,详细综述了增材制造过程中残余应力的产生机制及测量方法,其中,温度梯度机制是解释残余应力产生机制最常用的方法。针对残余应力的测量,分别从无损检测和破坏性检测两方面进行归纳,最常用的破坏性检测残余应力的方法是轮廓法和钻孔法,而无损检测的方法是X射线衍射法。并且总结了残余应力的调控方法,包括工艺参数调控、预热缓冷及重熔调控、结构设计调控、辅助外场调控、后处理调控。最后简要总结增材制造金属结构件残余应力研究中亟待解决的问题,并展望了金属增材制造的发展方向。     

增材制造金属点阵多孔材料研究进展

金属点阵多孔材料是一种具有复杂周期性结构的先进轻质多功能材料,由于其优异的比强度、吸声、降噪以及超材料等特性,近年来备受关注.而传统的制备工艺仅可以制造类点阵结构,难以生产复杂、精细的点阵结构,成为金属点阵多孔材料进一步应用的掣肘.近年来快速发展的增材制造(Additive manufacturing,AM)技术具有设计与制造自由度大、快速制造任意复杂几何形状零件的特点,可对金属点阵多孔材料进行微观、界观和宏观尺度晶格的多种组合进行调控,是金属点阵多孔材料制备技术的前沿.然而,增材制造金属点阵多孔材料存在残余应力大、表面粗糙度高以及局部应力集中等问题,导致其压缩脆性以及疲劳强度较低.因此,除了研究增材制造工艺参数对点阵结构性能的影响外,研究者们主要从拓扑优化以及后处理方面不断进行尝试,并获得了丰硕的成果.结合拓扑优化设计,可使得应力分布更均匀,更好地服役于不同的加载环境;梯度点阵结构的压缩强度以及能量吸收是均匀点阵结构的两倍以上;通过热处理以及化学蚀刻可以降低点阵结构的残余应力和表面粗糙度,大幅提高其点阵结构的疲劳强度.通过控制单胞结构的分级孔隙度分布、合适的后处理,有望同时实现高孔隙率、高疲劳强度和高能量吸收.本文首先陈述了增材制造金属点阵多孔材料的优势和成形准则,随后介绍了单胞形状、单胞尺寸、支柱直径、体积孔隙率等因素对点阵结构尺寸精度和表面粗糙度的影响,并归纳了这些因素对点阵结构的屈服强度、能量吸收率和疲劳强度等性能的影响.此外,总结了点阵结构的拓扑优化和后处理对其性能的影响,最后介绍了增材制造金属点阵结构存在的掣肘,并展望了其未来的研究趋势.     

超声波筛选激光增材制造非晶合金

目的 快速优化出无缺陷非晶合金激光增材制造工艺。方法 以Zr51Ti5Cu25Ni10Al9非晶合金为模型材料,利用超声波对金属内部缺陷的衰减,来快速筛选激光增材制造非晶合金的最佳工艺组合（激光功率和扫描速度）。结果 超声波检测可以准确有效地检测出非晶合金试件的晶化比例,并且当激光功率为1 300 W、扫描速度为600 mm/min时超声波衰减系数降至最低。进一步对该工艺下获得的样品分析发现,该工艺成型的Zr51Ti5Cu25Ni10Al9非晶合金缺陷最少、晶化程度最低、性能最佳。结论 超声波技术是快速筛选激光增材制造非晶合金等高性能金属最佳工艺参数的有效技术手段。     

高温合金增材制造标准分析

增材制造技术发展迅猛,在航空航天领域应用前景广阔,增材制造技术标准化工作也日益受到国内外相关机构的重视,并逐步开展相关工作。在简述国外金属增材制造标准发展的基础上,以典型高温合金增材制造标准为例,对粉末标准、力学性能要求、检测标准和方法等进行了总结,并对我国高温合金增材制造标准化工作提出了建议和展望。     

增材制造高熵合金研究进展

高熵合金(High-entropy alloys, HEA)由于具有优异的力学性能、抗高温氧化性能、耐腐蚀性能等优点,受到了越来越多学者的关注。目前高熵合金的制备一般采用传统的铸锻轧,这对于制备一些形状复杂的高端零部件和超细晶组织是一种严峻的挑战,而采用增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是解决上述问题的一个有效途径。重点阐述了国内外近年来在高熵合金增材制造材料种类、快速凝固非平衡组织演化、裂纹等成形缺陷、力学性能及成形特征方面的研究进展,为增材制造高熵合金进一步发展提供一定参考。最后,对增材制造高熵合金的研究进展进行了总结,并对增材制造高熵合金成分的设计提供了一定的思路。     

高熵合金增材制造研究进展

基于不同的高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)体系,综述了增材制造高熵合金的最新研究进展,阐述了不同成分高熵合金增材制造的快速凝固微观组织、偏析和析出行为,着重分析了增材制造高熵合金的力学性能、变形及强化机理.指出不同的高熵合金体系应选择适合的增材制造工艺,并且成型质量的影响因素还有待进一步研究,最后提出利用增材制造技术可以研发和制备出具有优异强度-塑性组合的高熵合金.     

增材制造硫系玻璃光学元件的前景分析与探讨

硫系玻璃作为红外光学系统的基础材料,在夜视枪瞄、车载夜视、星际生命探测等高端红外光学领域应用前景十分广阔。硫系玻璃的优点是折射率温度系数低,可避免光学系统的热失焦,实现系统色差自校正,并保证成像质量;缺点是色散系数大,实际应用时需要将其加工成面形复杂的元件。现有元件加工技术难以满足高精度、多品种、小批量硫系玻璃光学元件的加工需要。增材制造是一种迅速发展的新型制造技术,适于复杂结构器件的个性化定制。将增材制造技术用于硫系玻璃光学元件制备,对于解决硫系玻璃发展中遇到的瓶颈问题,促进硫系玻璃的快速发展具有重要意义。重点探讨了增材制造技术用于制造硫系玻璃光学元件的可行性并分析未来发展前景。     

金属粘结剂喷射增材制造技术发展与展望

目的 介绍了粘结剂喷射增材制造(BJAM)技术打印金属零件的发展历程、技术特点、打印材料和应用领域,重点分析了影响金属BJAM零件质量的主要因素,讨论了金属BJAM技术的研究重点.方法 归纳了金属BJAM技术的重要发展节点及现阶段技术的成熟度;总结了原材料、打印及烧结工艺参数对BJAM打印金属零件质量的影响规律;按材料种类讨论了BJAM打印金属零件的致密度、微观组织及力学性能.结论 通过分析金属BJAM技术可实现高效率、低成本制造金属零件,但仍存在烧结致密度低和收缩严重等问题,指出了改善铺粉质量、开发新型粘结剂和模拟预测烧结收缩等是金属BJAM技术未来发展的重点方向.     

镍基高温合金增材制造研究进展

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注,被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能,能实现复杂构件精密成形,且制备过程中材料浪费少,有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等,粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件,但制造速度相对较慢,且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高,可用于制备功能性梯度材料,但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本,适用于大型零件的快速制造,但其制备的合金表面粗糙度较差,需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比,增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特...     

Additive Manufacturing of Advanced Multi‐Component Alloys: Bulk Metallic Glasses and High Entropy Alloys

Bulk metallic glasses (BMGs) and high entropy alloys (HEAs) are both important multi‐component alloys with novel microstructures and unique properties, which make them promising for applications in many industries. However, certain hindrances have been identified in the fabrication of BMGs and HEAs by conventional techniques due to the intrinsic requirements of BMGs and HEAs. With the advent of metal additive manufacturing, new opportunities have been perceived to fabricate geometrically complex BMGs and HEAs with tailorable microstructure theoretically at any site within the specimen, which are not achievable using conventional fabrication techniques. After providing some background and introducing the conventional fabrication techniques for BMGs and HEAs, this review will focus on the current status, development, and challenges in metal additive manufacturing of BMGs and HEAs including different additive manufacturing techniques being used, microstructure design and evolution, as well as properties of the fabricated BMGs and HEAs. A future outlook of metal additive manufacturing of BMGs and HEAs will also be provided at the end.

     

大块金属玻璃晶化过程的研究进展

大块金属玻璃具有许多独特的性能,有着广阔的应用前景.晶化过程对大块金属玻璃的应用有很大影响,是当前此领域研究的热点之一.介绍了大块金属玻璃在各种条件下晶化过程、影响因素等方面的研究进展.     

Bulk Metallic Glasses with Functional Physical Properties

In this review, we report on the formation of a variety of novel, metallic, glassy materials that might well have applications as functional materials. The metallic glasses, with excellent glass‐forming ability, display many fascinating properties and features such as excellent wave‐absorption ability, exceptionally low glass‐transition temperatures (～35–60 °C) approaching room temperature, ultralow elastic moduli comparable to that of human bone, high elasticity and high strength, superplasticity and polymer‐like thermoplastic formability near room temperature, an excellent magnetocaloric effect, hard magnetism and tunable magnetic properties, heavy‐fermion behavior, superhydrophobicity and superoleophobicity, and polyamorphism, all of which are of interest not only for basic research but also for technological applications. A strategy based on elastic‐moduli correlations for fabrication of bulk metallic glasses (BMGs) with controllable properties is presented. The work has implications in the search for novel metallic glasses with unique functional properties, for advancing our understanding of the nature and formation of glasses, and for extending the applications of the materials.     

大块非晶合金作为生物医用材料的探索性研究进展

大块非晶合金具有不同于晶态合金的独特性质,如高强度、高硬度、高耐磨耐蚀性、高疲劳抗力、低弹性模量、大弹性应变极限、屈服前基本上完全弹性、屈服时完全塑性、无加工硬化现象等。在将其作为结构材料大规模使用的同时,人们认识到了大块非晶合金生物医学研究的重要性和可行性。基于元素毒性考虑,Ti基、Zr基、Fe基、Mg基及Ca基被认为是最有可能未来得到医学应用的5类大块非晶合金体系,总结了国内外学者对这些材料在模拟体液下的腐蚀行为和离子溶出规律、细胞毒性和动物体内植入后对周围组织的影响等方面的最新研究成果,并且对大块非晶合金医学应用需要解决的问题、其未来发展方向及临床应用前景进行了展望。     

大块金属玻璃的研究及应用

回顾了大块金属玻璃的研究和进展过程,介绍了典型及新型大块金属玻璃及其开发年代,简要分析了微观结构以及工艺条件对大块金属玻璃的形成能力的影响,介绍了大块金属玻璃优良的力学、磁学性能,特别介绍了大块金属玻璃的可焊性及广阔的应用前景.     

Cu基大块非晶合金的热力学预测

利用Miedema理论和几何模型计算了三元合金Cu-Zr-A1、Cu-Hf-A1、Cu-Hf-Zr的形成焓。讨论了形成焓对Cu基非晶合金形成能力的影响，并将计算结果与已有的实验结果进行了比较，发现二者较吻合。     

块体金属玻璃制备技术的研究进展

主要介绍了块体金属玻璃的连接技术、放电等离子烧结法和电磁振动法等制备块体金属玻璃的新技术手段。块体金属玻璃的连接技术包括激光焊、爆炸焊、电子束焊、熔融液相连接法和摩擦焊等。采用焊接的方法可将块体金属玻璃连接在一起,以形成大尺寸甚至超大尺寸的块体金属玻璃;放电等离子烧结可在很短时间内制备多孔、大尺寸和具有一定塑性的块体金属玻璃,在制备具有优异软磁性能的块体金属玻璃上也具有显著优势;电磁振动法可以有效抑制晶体形核,显著提高块体金属玻璃体系的玻璃形成能力,从而制备更大尺寸的块体金属玻璃。     

Al基块体金属玻璃的研究进展

Al基金属玻璃具有高强度、高韧性、良好的耐蚀性,特别是其比强度高达330kN·m/kg,作为新结构材料在航空航天领域具有潜在的应用前景。近年不仅研发出了具有大过冷液相区以及能形成块体金属玻璃的Al基合金,还通过粉体温热固化成形工艺实现了Al基金属玻璃的大块体化,推动了其在实际生产中的应用。简述了有关Al基金属玻璃合金的玻璃形成能力、过冷液体热稳定性、力学性能及其粉末烧结体的组织和性能等方面的最新研究进展,并对其发展存在的问题进行了探讨。