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。     

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。     

激光能量密度对SLM成形316L不锈钢表面完整性的影响

采用激光选区熔化(Selective Laser Melting, SLM)技术成形制备316L不锈钢试样,探索了不同激光能量密度对金属增材制造成形质量的影响规律。选取激光功率、扫描间距、扫描速度和铺粉厚度等工艺参数,设计了正交试验,分析了激光能量密度对试件侧表面的表面粗糙度、维氏硬度、致密度、残余应力及表面形貌的影响规律。结果表明,随着激光能量密度的增大,试件侧表面的表面粗糙度与维氏硬度呈现先减小后增大的趋势,致密度和残余应力呈现先增大后减小的趋势,在激光能量密度为70.37 J/mm³时试件表面质量最佳,即最优工艺参数为激光功率P=190 W,扫描速度v=750 mm/s,铺粉厚度h=0.03 mm,扫描间距d=0.12 mm。     

激光选区熔化钛铝合金裂纹形成机理及抑制研究

裂纹是激光选区熔化成形TiAl合金时最常见、破坏性最大的一种缺陷。以Ti-47Al-2Cr-2Nb合金粉末为成形材料,利用X射线衍射、扫描电子显微镜、X射线能谱分析及残余应力检测等检测方法,研究SLM成形TiAl合金过程中裂纹的形成机理及抑制方法。研究结果表明:SLM成形TiAl合金的裂纹为冷裂纹,具有穿晶断裂的特征。由于SLM成形过程中的快速加热冷却,成形件内部残余应力高于材料的抗拉强度,导致了裂纹的形成。裂纹多起源于试样侧面边缘粉末黏结、缺口等缺陷存在的地方,此外,合金试样内部含有大量的α2脆性相及孔隙,也有利于裂纹产生和拓展。随着基板预热温度逐渐提升到300℃,一方面温度梯度减小使得材料热胀冷缩减弱,试样内部的残余应力由(267.2±13.4) MPa降低到(172.6±8.6) MPa;另一方面,预热导致β相稳定性提高,α2脆性相的含量减少,最终使得试样中的裂纹数量和尺寸明显得到控制,试样的相对致密度也由87.64%上升到93.84%。     

SiC颗粒掺杂对激光直接成形Al2O3陶瓷裂纹敏感性的影响

为抑制激光直接成形Al2O3陶瓷过程中的裂纹,利用SiC未熔颗粒的增韧原理,在Ti-6Al-4V合金基底上进行添加SiC颗粒的Al2O3同轴送粉激光直接成形实验,分析了激光直接成形Al2O3+ SiC复相陶瓷的可行性以及成形件裂纹敏感性的影响因素.利用光学显微镜观察薄壁成形试样的裂纹扩展、显微组织和两相结合情况,并使用X射线衍射仪(XRD)进行相分析.结果表明:SiC颗粒可在激光直接成形Al2O3+SiC陶瓷中起到抑制裂纹的作用,并可形成各成分结合良好,无明显化学反应,含有较完整SiC未熔颗粒的复相陶瓷材料.单因素实验显示:SiC比例f、激光功率P、扫描速度v和送粉率n对裂纹敏感性均有显著影响,最后采用工艺参数:f =10％(重量百分比)、P=186 W、v=300 mm/min及n=1.78 g/min成形了裂纹敏感性低,无明显缺陷的长×高×厚约为17 mm×6 mm×2 mm的薄壁件.     

工艺参数对选区激光熔化成形可降解纯锌相对密度及力学性能的影响

采用选区激光熔化(SLM)技术制备纯锌,研究了激光功率和扫描速度对其相对密度和力学性能的影响。结果表明:随激光功率增大或扫描速度减小,SLM成形纯锌的相对密度和硬度增大,显微组织均为平行于成形方向生长的柱状晶;SLM成形纯锌的最佳工艺参数为激光功率100 W、扫描速度300mm·s-1,所得试样的相对密度达99.86%,硬度为(44.7±1.2)HV,弹性模量、断后伸长率、抗拉强度、屈服强度分别为(48.6±2.4)GPa、(8.9±0.7)%、(95.5±3.3)MPa、(67.1±0.4)MPa。     

激光参数对Ti-6Al-4V粉末SLM成形质量的影响

为了在金属3D打印产品中获得合适的加工参数,提高金属成形件的产品性能,利用有限元方法对Ti-6Al-4V粉末激光选区熔化（SLM）成形进行模拟。以APDL编程语言建模,逐步施加热源获得成形件的温度场,通过熔池演变研究了Ti-6Al-4V粉末SLM成形过程中材料接合情况;以温度场为载荷研究了SLM成形的应力场和位移场。结果表明：激光扫描速度保持恒定,激光功率增大,熔池的长度、宽度、深度均增大;激光功率保持恒定,扫描速度增大,熔池的长度变大,宽度和深度变小。最后获得了一组能够较好地满足成形需求,成形件不易产生翘曲和开裂的激光参数。     

热处理温度对SLM成形316L不锈钢组织性能影响研究

使用选区激光熔化(SLM)技术制备316L不锈钢试样以及残余应力样件,采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM,配备电子背散射衍射探头EBSD）、显微硬度计等研究不同热处理工艺对SLM成形316L的显微组织、显微硬度、力学性能以及残余应力的影响,得到最优热处理工艺。结果表明SLM制备制件组织致密,在最优热处理1 000℃、保温2 h制度下,试样的性能稳定,显微硬度及拉伸性能各向异性差异小,残余应力小。此研究为SLM成形316L不锈钢的力学性能优化及显微组织调控提供了强有力的基础。     

金属激光三维打印技术的缺陷分析及其抑制对策

针对金属激光三维打印过程中成形件的缺陷问题,在介绍选择性激光烧结技术(SLS)、选择性激光熔化技术(SLM)和激光熔化沉积技术(LMD)三种典型金属激光三维打印技术原理和特点的基础上,分析了成形件出现球化、孔隙和裂纹三种常见缺陷的原因,重点从粉末特性、工艺参数和后处理技术三方面叙述了抑制缺陷、改善成形件性能的对策。最后,为了进一步抑制缺陷,提出了研制新型粉末、协同运用处理技术以及研发高精度缺陷检测技术等措施。     

铝合金汽车发动机缸盖复杂结构的SLM制造工艺研究

针对传统汽油发动机缸盖开模铸造周期长、影响研发效率的问题,开展基于激光选区熔化(SLM)工艺的发动机3D打印适应性设计及工艺研究。提出一种基于SLM技术的发动机缸盖成形方案,并进行了成形验证。打印了国内首次有报道的原尺寸3D打印发动机缸盖结构样件,尺寸(长、宽、高)分别为318.4、232.48和107.4mm,与设计尺寸相比,偏差0.5mm,非加工面的表面粗糙度为Ra3.313～Ra5.619μm,内部无明显裂纹、缩孔。随炉试样拉伸强度为468～478MPa。     

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。     

选择性激光熔化17-4PH合金的成形研究

对17-4 PH合金选择性激光熔化成形(SLM)热处理前后的力学性能和微观组织进行了研究,并与锻造零件进行了对比。结果表明,SLM成形方向不同和热处理对成形试样力学性能和微观组织有显著的影响。0°成形方向力学性能明显优于30°成形方向试件,热处理后SLM试件的性能有显著的提高,同等热处理条件下的SLM试件拉伸强度优于锻造件。不同成形方向成形过程中热经历的不同是引起了成形试件微观组织和力学性能之间存在差异的主要原因。缺陷对拉伸强度和屈服强度没有显著的影响,对断裂延伸率影响较大。17-4 P H SLM成形件微观组织由马氏体和奥氏体混合二重组织组成,热处理后的组织比直接沉积成形的组织更加均匀。     

选择性激光熔化零件微观结构及摩擦学性能研究

选择性激光熔化(Selective laser melting,SLM)快速成型是一种金属增材制造技术,316L不锈钢和Ti6Al4V(TC4)是SLM技术中使用最为广泛的材料。SLM零件的摩擦学性能对其在工程上的应用至关重要,但是相关研究较少而且未联系其显微结构对磨损机理进一步研究(尤其是润滑条件下)。使用盘-环试验机在油润滑条件下,研究SLM 316L和SLM TC4(经热处理)试件与软材料黄铜和硬材料38CrMoAl配对时的摩擦学性能,并与传统铸造方法制造(Traditional process,TP)的试件进行比较。结果表明,SLM试件存在熔池、孔隙和晶粒细化等现象,经热处理的SLM试件熔池消失、硬度变大。当与黄铜配对时,SLM试件与TP试件相比具有更低的摩擦因数和磨损率;当与38CrMoAl配对时,经热处理的SLM TC4比TP TC4具有更低的摩擦因数和磨损率。滑动摩擦初期,磨粒磨损占主导,逐渐的黏着磨损发生并占主导。SLM试件中晶粒细化等结构影响其摩擦学性能,同时试件的塑性变形程度及氧化膜对其裂纹的形成和材料的剥落影响较大。     

蜗杆齿面磨削后开裂原因分析

采用直读光谱仪、显微硬度计、光学显微镜、扫描电子显微镜等手段对蜗杆齿面磨削后产生开裂的原因进行了分析。结果表明:开裂蜗杆磨削后蜗齿表面渗碳层的显微组织和硬度发生了明显变化,齿面裂纹呈放射状沿晶扩展,开裂方向与磨削痕迹大致垂直,裂纹深度在0.42 mm以内;蜗杆齿面上的裂纹为磨削操作不当引起的磨削裂纹;对蜗杆齿面的磨削工艺进行改进后再未出现开裂现象。     

选区激光熔化成形CoCrFeNiCuAl0.8高熵合金的组织与性能

采用选区激光熔化成形(SLM)技术制备CoCrFeNiCuAl_0.8高熵合金,研究了不同激光热输入(0.06～0.36 J·mm^-1)下合金的成形质量和密度,确定最优成形工艺参数,并分析了在最优成形工艺参数下合金的显微组织和拉伸性能。结果表明：随着热输入的增加,SLM成形合金的密度先增大,当热输入大于0.15 J·mm^-1时,密度基本保持不变;当热输入为0.34 J·mm^-1时,密度最大,为7.5 g·cm^-3,最优工艺参数为激光功率270 W、扫描速度800 mm·s^-1。SLM成形合金具有由无序体心立方相(A2相)和有序体心立方相(B2相)组成的双相结构,显微组织由柱状晶和等轴晶组成,屈服强度、抗拉强度、断后伸长率、断面收缩率分别为651 MPa, 840 MPa, 22%,23%,断裂机制为韧性断裂。     

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。     

基于固有应变法的卫星支架结构SLM变形趋势仿真

选区激光熔化技术为航天器的设计和制造提供了更大的自由度,在成形复杂结构方面具有明显优势。然而,SLM过程中需要添加支撑以保证零件成形,由于金属材料在热力学性能方面与非金属材料有较大差别,成形过程更易变形,因此SLM工艺对材料的热导率、抗变形能力更加敏感。由于缺乏增材制造工艺的标准与规范,现阶段粉末床增材制造仍然沿用传统的“试错”模式,SLM成形带有支撑结构的复杂零件时仍有变形和开裂问题,造成了材料和机器时间的浪费。针对一种拓扑优化结构,在宏观层面上模拟4种不同支撑方案的SLM工艺过程,预测4种方案的应力和变形情况,探索最佳成形方案,最后对比实际打印结果和仿真结果,从而分析仿真模型的精确性和误差来源,为SLM工艺方案的制定提供参考。     

选区激光熔化成形W-Ni-Cu的成形工艺及热物理性能

为了研究W-Ni-Cu合金选区激光熔化技术(SLM)直接成形工艺及其热物理性能,设计了以激光功率、扫描速度、扫描线长度、搭接率为变量的工艺实验,研究各参数对致密度的影响,采用SEM、热分析仪、差式扫描量热仪、热-机械分析仪研究合金的微观组织、导热率与热膨胀系数。结果表明:选择合理的优化工艺参数,W-Ni-Cu(SLM)成形致密度最高达到94.5%;微观组织为难熔相W发生了桥接与团聚,基体相CuNi呈网络状包裹于W相周围;测试试样所加载热流平行于烧结成形方向时,导热系数与热膨胀系数分别是120.314 0W/(m·K)及7.16×10~(-6)/K,加载热流方向垂直于烧结成形方向时,导热系数与热膨胀系数分别是99.257 2W/(m·K)及7.02×10~(-6)/K。不同方向成形测试件导热系数和热膨胀系数的差异是由难熔相W在CuNi相中的分布以及孔隙数量决定的。采用选区激光熔化成形技术可以成形性能较好的W-Ni-Cu合金。     

选区激光熔化工艺参数对Ti6Al4V粉末成型性的影响（英文）

以Ti6Al4V钛合金粉末为研究对象,在单层扫描和单道扫描实验的基础上,研究SLM工艺参数对Ti6Al4V合金材料成型性的影响,并进行了块体成型实验,通过设计正交试验及观察试样的形貌和致密度分析,最终得到Ti6Al4V合金粉末SLM块体成型的最佳工艺参数为:激光功率400W、搭接率1、扫描速度750mm/min,其致密度可以达到96.17%。     

喷丸成形及强化工艺对铝合金疲劳性能及裂纹扩展的影响

采用数控喷丸机对2024-T351铝合金进行畸形喷丸成形及强化工艺试验,采用MTS880设备对板材进行轴向疲劳性能测试,同时对原始状态、喷丸强化及喷丸成形下的板材进行裂纹扩展速率的测试.通过对比不同方式下裂纹扩展的速率的对数图,得知经过喷丸成形及强化后试件的裂纹扩展速率大大减小,比原始状态降低30％左右.