激光直接能量沉积Ti6242S-0.75Ni-1.65Fe-0.05B合金的组织及力学性能各向异性研究

增材制造钛合金因具有外延生长的粗大柱状β晶而导致显著的力学各向异性。合金成分调控作为实现增材制造钛合金从柱状晶向等轴晶转变以改善其各向异性的重要手段，由于伴随着脆性金属间化合物的析出，致使目前存在全等轴化和良好塑性不可兼得的矛盾。不同于常规的单一元素合金化，本文借助相图计算，通过Ni、Fe和B的复合添加，实现了激光直接能量沉积Ti6242S-0.75Ni-1.65Fe-0.05B合金β晶粒的等轴化，并避免了金属间化合物的形成。室温拉伸性能表明，沉积态Ti6242S-0.75Ni-1.65Fe-0.05B合金的力学性能各向异性被基本消除，且横纵方向的强度和塑性均高于Ti6242S合金。     

激光增材制造钛合金微观组织和力学性能研究进展

激光选区熔化(SLM)技术与激光熔化沉积(LMD)技术在航空航天、生物医疗等领域的应用具有巨大潜力,但由于成形的Ti6Al4V合金构件存在较差的表面质量、较大的残余应力以及内部孔洞等问题,影响了构件的力学性能,从而制约了其大规模的应用。针对这一现状,首先概述了激光选区熔化技术与激光熔化沉积技术的制造原理,比较了2种增材制造技术的成形参数及其特点,并分析了2种不同成形技术的自身优势以及适用场合。其次,从2种增材制造技术成形钛合金的工艺参数入手,综述了激光功率、扫描速度、激光扫描间距、铺粉厚度、粉床温度等参数对SLM工艺成形钛合金的影响,以及激光功率、扫描速度、送粉速率等参数对LMD工艺成形钛合金的影响。发现成形工艺参数直接影响了粉末熔化程度、熔合质量和成形显微结构,从而影响成形件的组织与力学性能。此外,综述了不同的扫描策略对两种增材制造技术成形钛合金的表面质量与力学性能的影响,可以发现在不同扫描策略下同一试样表面的不同区域表面质量、残余应力以及抗拉强度存在较大差异,同一扫描策略下试样的不同表面之间也存在各向异性。最后,探讨了不同热处理工艺对钛合金微观组织和力学性能的影响,通过合适的热处理能够降低成形构件应力,并调控组织相变和性能。     

Al-Cu-Mg合金电弧增材制造技术研究

受限于铝合金商业丝材的种类,目前铝合金电弧增材制造技术研究主要集中于二元铝合金方面。本研究团队采用双丝电弧增材制造工艺,获得了不同合金组分的三元Al-Cu-Mg铝合金构件,并针对其成形、组织及力学性能等方面进行研究。结果表明:通过合理控制过程工艺参数,可获得良好构件成形;通过控制合金元素组分,可以实现对构件力学性能的有效调控;热处理工艺可以进一步提高构件的力学性能,为深入研究多元铝合金电弧增材制造奠定了基础。     

金属激光增材制造材料设计研究进展

激光增材制造被公认为是解决个性化、复杂化金属构件整体成形难题的有效技术手段。现有金属增材制造的研究主要从传统合金牌号出发,但基于平衡凝固过程设计的传统合金成分难以满足增材制造的非平衡冶金动力学特点,往往面临高裂纹敏感性、低韧低疲劳、各向异性等共性问题。因此,需要开展面向激光增材制造的新型材料成分设计研究,充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潜在优势与价值。本文综述了铝合金、钛合金、铁基合金、镁合金等不同材料现有合金牌号增材制造的技术瓶颈,以及面向增材制造的材料创新设计方法与新型合金及其复合材料发展的研究进展。最后提出了金属增材制造材料设计的未来发展趋势。     

基于增材制造技术的非晶合金研究进展

近年来,为了满足具有大尺寸复杂结构的非晶合金构件的市场需求,具有高度柔性化成形、机加工量小和成形精度高等特点的增材制造技术被成功应用于制备块体非晶合金。本文基于国内外块体非晶合金增材制造成形领域的最新研究成果及作者们多年来在该领域的研究工作,系统介绍了现有非晶合金增材制造技术的研究现状,详细阐述了非晶合金在各类增材制造技术中的成形机理和性能方面的研究进展,深入探讨了现有非晶合金增材制造成形的技术难点,详细阐明了非晶合金增材制造成形工艺 - 组织结构 - 性能间内在联系,指出制备高质量高性能非晶构件将是块体非晶合金增材制造成形领域未来研究的重要方向。     

电弧增材制造技术在材料制备中的研究现状及挑战

增材制造技术可直接低成本一体化制造复杂构件,成为最具潜力的材料加工技术。针对大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形,基于堆焊技术发展起来的电弧增材制造技术(WAAM)成为最合适的方法。综述了近年来国内外学者关于电弧增材制造技术在不同材料成形工艺参数及力学性能方面的成果,分析了工艺参数对不锈钢、铝合金和钛合金三种常见材料组织与性能影响规律,对未来电弧增材制造技术的发展方向进行了展望。     

坡莫合金增材制造及其磁性能研究现状分析

坡莫合金作为磁性能优良的软磁材料,具有十分广阔的应用前景.从坡莫合金的磁化机理出发,分别讨论了晶粒尺寸、元素含量以及内应力等因素对于磁性能的影响.分析了坡莫合金增材制造技术的研究现状,讨论了采用增材制造技术制备坡莫合金时的优势以及不足,并对增材制造制备坡莫合金的磁性能以及工艺改进措施进行了研究.针对目前坡莫合金增材制造急需解决的问题,总结出今后坡莫合金增材制造研究的重点,并分析与展望了坡莫合金增材制造的前景.     

搅拌摩擦增材制造技术研究现状与发展趋势

现有的高能束增材制造技术在成形大型高性能金属构件时存在适用材料范围有限、能源利用率低以及成形件各向异性等工艺特点,搅拌摩擦增材制造是近年来发展起来的一项新型固相增材制造技术,其无液态金属熔凝过程的成形特征为铝合金、镁合金等易氧化轻质合金的高性能快速制备提供了新的增材制造途径。文中首先指出现有高性能金属构件增材制造技术应用的局限性,重点介绍搅拌摩擦增材制造技术的工艺原理、性能优势及应用现状。综述了国内外所开展的主要搅拌摩擦增材制造技术现状,包括同轴送料式、预置料式等类别,进而展示了搅拌摩擦增材制造技术在轻质大型结构件增材制造及特征结构添加,梯度材料与涂层制备,缺陷损伤修复及新型复合材料制备等方面的应用潜力。最后,对搅拌摩擦增材制造技术的发展趋势进行了展望。通过文中综述,以期推动该技术在国内航空航天等领域大型轻质材料构件的制备方面实现应用。     

增材制造FeCoNiAl系高熵合金的研究进展

FeCoNiAl系高熵合金在面心立方的FeCoNi基体中引入体心立方相稳定元素Al及其他合金化元素,因此表现出独特的显微组织、力学性能和功能性,具有广阔的工业应用前景。近年来,增材制造技术为制造超细晶粒和几何复杂的高熵合金零件提供了技术支持,引起研究人员的广泛关注。本文从打印工艺、显微结构、性能、缺陷和后处理等方面综述了增材制造FeCoNiAl系高熵合金的新进展。系统总结了几种典型增材制造技术,并讨论不同工艺下FeCoNiAl系高熵合金的晶体结构、显微组织及其相应的性能,阐述增材制造过程中与快速凝固和复杂热循环有关的缺陷形成机制。此外,介绍并总结了几种旨在进一步提高FeCoNiAl系高熵合金性能的后处理方法。最后,展望了增材制造高熵合金未来的研究方向,以解决面临的挑战,加快其在工业领域的应用。     

激光熔融沉积技术制备Ti-Fe-B合金

<正>近日,南京工业大学钛合金材料基础研究团队提出一种新型激光熔融沉积技术制备Ti-Fe-B合金。激光熔融沉积原料为采用等离子旋转电极工艺(PREP)制备的Ti-Fe-B合金粉末。其中添加适量的B以实现对增材制造钛合金组织的调控,促进等轴晶的形成,有效克服因钛合金增材制造凝固过程自发形核不足而产生柱状晶的问题。同时分别采用铸造、锻造的方式制备了该合金。对比发现,激光熔融沉积制得Ti-Fe-B合金具有更优的力学性能,     

Mechanical properties of TiAl fabricated by electron beam melting—A review

As a typical intermetallic material, TiAl is inevitably difficult to process by conventional methods. Additive manufacturing (AM) has recently become a new option for making net-shape TiAl components. Among all AM methods, electron beam melting (EBM) shows the potential to make TiAl components with good mechanical properties and is used for low pressure turbine blades. The mechanical properties, including tensile and compression properties, fracture toughness, fatigue and creep properties of EBM TiAl are reviewed and compared to the conventionally fabricated alloys. Results show that the tensile strength of EBM alloys is higher than cast alloys, and other properties are comparable to the cast/forged alloys. The sensitivity of mechanical properties and microstructure to EBM processing parameters is presented. Issues including layered microstructure, anisotropy in mechanical properties, and fatigue failure from defects are also reviewed. Finally, some opportunities and challenges of EBM TiAl are identified.     

Fine equiaxed β grains and superior tensile property in Ti-6Al-4V alloy deposited by coaxial electron beam wire feeding additive manufacturing

Coarse columnar β grains result in anisotropic mechanical properties in Ti alloys deposited by additive manufacturing. This study reports that Ti-6Al-4V alloy fabricated by coaxial electron beam wire feeding additive manufacturing presents a weak anisotropy, high strength and ductility. The superior tensile property arises from a microstructure with fine equiaxed β grains (EGβ), discontinuous grain boundary α phase and short intragranular α lamellae. A large region of fine EGβ arises from a special combination of the temperature gradient and solidification rate, and attractive α morphology is caused by solid phase transformations during interpass thermal cycling and post heat treatments.     

超细晶钢微观组织与力学性能的各向异性研究

通过温轧技术,成功制备了平均晶粒尺寸约1μm的超细晶钢。利用扫描电镜、电子背散射衍射和室温拉伸等检测手段,研究了超细晶钢板的微观组织与力学性能的各向异性。结果表明：制备的超细晶钢板不同方向的微观组织和力学性能具有明显的各向异性;纵截面表层和心部的晶粒大多呈现拉长的形态,同时表层的晶粒拟合椭圆长/短轴比相较于心部更小,形状更加接近于圆形,横截面的晶粒拉长状特征相较于纵截面减弱,更接近等轴态,晶粒在三维空间呈细长的扁梭形态;各向强度由高到低依次为轧向、横向、与轧向成45°方向;长梭形晶粒组成的微观组织形态和织构是导致超细晶钢板力学性能各向异性明显的主要原因。     

轧制路径对ZK60镁合金板材组织和性能的影响

在250 ℃对轧制-热处理态ZK60镁合金板材进行9道次不同路径的轧制试验。采用光学显微镜、电子万能试验机、SEM、XRD等研究了轧制试验后ZK60镁合金的显微组织、室温拉伸性能、断口形貌及晶粒择优取向。结果表明:轧制路径对ZK60镁合金板材的晶粒尺寸变化无明显影响,但压下量对镁合金组织内的孪晶变化有很大影响;轧制路径的变化对ZK60镁合金板材的各向异性和力学性能有较大影响,在交叉+45°的路径下轧制后ZK60镁合金板材,各向异性较弱,具有良好的综合力学性能和轧制成形能力,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到244.31 MPa、371.14 MPa和25.46%;交叉+45°路径轧制对ZK60镁合金的晶粒择优取向有明显影响,能够改善镁合金板材的晶粒择优取向和各向异性,提高ZK60镁合金的力学性能。     

高熵非晶材料及其增材制造技术研究进展

高熵非晶合金具有独特的物理、化学和力学性能以及更好的热稳定性,因而其制备技术成为国内外重要的研究热点之一. 然而利用传统技术制备高熵非晶材料时会产生晶粒粗大及材料浪费等缺点,难以满足工艺生产需要. 而增材制造技术的精准制造和快速冷却等特点可以解决这一问题,制备出各项性能优越的高熵非晶合金. 简要介绍了高熵非晶材料的研究体系和常用制造方法,着重阐述了高熵非晶材料的断裂强度、耐腐蚀性和热稳定性的研究,对增材制造技术的工艺特征和优势,以及利用增材制造技术制备高熵非晶合金的科学难点作出了总结. 结果表明,利用增材制造技术有利于获得致密均匀的高熵非晶材料,但对于非晶相形成的解释仅限于高熵合金4大效应.最后阐述了近年来利用常用的两种增材制造手段制造高熵非晶合金的研究,并对增材制造技术制备高熵非晶材料的发展趋势提出了展望.     

Tensile behavior of Ti-6Al-4V alloy fabricated by selective laser melting: effects of microstructures and as-built surface quality

Selective laser melting(SLM) is a powerful additive manufacturing(AM) technology, of which the most prominent advantage is the ability to produce components with a complex geometry. The service performances of the SLM-processed components depend on the microstructure and surface quality. In this work, the microstructures, mechanical properties, and fracture behaviors of SLM-processed Ti-6 Al-4 V alloy under machined and as-built surfaces after annealing treatments and hot isostatic pressing(HIP) were investigated. The microstructures were analyzed by optical microscope(OM), scanning electron microscope(SEM) and transmission electron microscopy(TEM). The mechanical properties were measured by tensile testing at room temperature. The results indicate that the as-deposited microstructures are characterized by columnar grains and fine brittle martensite and the asdeposited properties present high strength, low ductility and obvious anisotropy. After annealing at 800-900°C for 2-4 h and HIP at 920°C/100 MPa for 2 h, the brittle martensite could be transformed into ductile lamellar(α+β) microstructure and the static tensile properties of SLM-processed Ti-6 Al-4 V alloys in the machined condition could be comparable to that of wrought materials. Even after HIP treatment, the as-built surfaces could decrease the ductility and reduction of area of SLM-processed Ti-6 Al-4 V alloys to 9.2% and 20%, respectively. The crack initiation could occur at the columnar grain boundaries or at the as-built surfaces. The lamellar(α+β) microstructures and columnar grains could hinder or distort the crack propagation path during tensile tests.     

微合金化元素La对亚共晶Al-Si合金凝固组织与力学性能的影响

利用DTA、OM、SEM、TEM、EPMA以及拉伸实验等方法研究了在添加α-Al晶粒细化剂Al-Ti-B中间合金和共晶Si变质剂Sr条件下,微合金化元素La对亚共晶Al-Si合金凝固组织与力学性能的影响。结果表明:添加微量稀土La能进一步细化α-Al,变质共晶Si,显著提高合金的塑性。分析表明:微量La能降低α-Al晶核与TiB2的润湿角,减小α-Al的形核过冷度,促进α-Al的进一步细化;La能诱发交错孪晶的形成,增大共晶Si的孪晶密度,改变Si相的长大行为,进一步改变共晶Si的形貌。当La的添加量达到0.10%时,LaAlSi金属间化合物在凝固过程的共晶反应阶段形成,该化合物的形成将降低合金的塑性。     

AZ31镁合金高应变速率轧制边裂及力学性能各向异性

在300~400 ℃对铸态AZ31镁合金进行平均应变速率为10~29 s^-1的高应变速率轧制,研究轧制后镁板边裂、组织及力学性能的各向异性。结果表明:随着平均应变速率的增加,轧制边裂得到改善,350 ℃和400 ℃下边裂长度变化相比300 ℃时更加平缓;晶粒尺寸在温升和应变速率综合作用下并不随平均应变速率的增加而减小,反而出现波动;在相对较低的应变速率下,由于组织中长条形晶粒的存在,导致板材的各向异性明显;随着平均应变速率的增加,长条形晶粒减少,再结晶完全,组织趋于均匀,轧板的各向异性得到改善;轧板拉伸断口中可观察到撕裂棱和韧窝,以韧性断裂方式为主。     

热处理对选区激光熔化GH3536合金晶界与拉伸行为的影响

采用选区激光熔化制备了GH3536合金,并分别进行固溶处理和热等静压处理,研究不同热处理手段对GH3536合金的组织形貌、晶界形态及室温拉伸行为的影响。结果表明:沉积态试样的组织由超细柱状亚晶粒与熔池界组成,存在气孔与微裂纹等缺陷;选区激光熔化试样分别经固溶处理和热等静压处理后,二者致密度均上升,组织转变为由交替分布的大小不等等轴晶粒组成,但热等静压的沿晶界析出M_(23)C_6相,形成锯齿状的弯曲晶界;沉积态试样的拉伸性能表现出各向异性的特点,固溶处理可消除拉伸性能的各向异性,但抗拉强度和屈服强度均有下降,延伸率明显上升。热等静压态试样与固溶态试样相类似,但其抗拉强度、屈服强度和延伸率均有进一步的提高;3种形态合金的断裂机制均为微孔聚集型的韧性断裂。     

Process window for manufacturing of semi-solid aluminium alloys

Abstract

The demands of the automotive industry for lightweight technologies stimulate research on new materials and the development of corresponding innovative production methods. The thixocasting process is based on standard high pressure die casting with the exception that mould filling takes place in the semi-solid state. In comparison to other processes, thixocast parts generally have better mechanical properties. For an industrial application and for the safe handling of the partially solidified alloys in series manufacturing, an exact knowledge of the material behaviour is necessary. This paper attempts to give an overview of the relevant parameters influencing the successful processing of semisolid metals with thixotropic properties. With this aim, several parameters considered to be of major importance for the process were selected and analysed and correlated with the desired end properties. The influence of temperature to obtain an optimally heated semi-solid billet with thixotropic properties was the first parameter to be evaluated. Subsequently, the effect of wall thickness (25–0.5 mm) and metal velocity during mould filling on the mechanical properties, grain texture development and segregation phenomena was studied and analysed. As a result of the investigations, a preliminary process window for the successful processing of semi-solid aluminium alloys was defined.