金属选区激光熔化的研究现状

金属3D打印是目前增材制造技术中最具发展潜力和最前沿的技术。选区激光熔化(SLM)是金属3D打印的重要分支,在传统方法无法制造的复杂异型结构件及工件制造的快速响应上具有极大优势,可解决传统方法加工过程中存在的长周期、高成本、难加工等技术难题,加工出传统制造方式无法加工的复杂金属零件。主要分析总结了目前选区激光熔化所涉及的基本原理、成型设备、材料特性、工艺参数和制造过程中常见的孔隙、球化、应力应变等问题,最后对金属3D打印的发展前景进行了展望。     

激光选区熔化TC4钛合金高氯酸电解抛光工艺研究

以高氯酸溶液为电解液,对激光选区熔化TC4钛合金试样进行电解抛光工艺试验,研究了电流密度、时间、温度、阴极材料等相关参数对试样的粗糙度、失重率、减薄率的影响,同时,对抛光处理后试样的表面形貌进行了分析。研究结果表明,按高氯酸10m L、冰乙酸100m L、水12m L配比的混合电解液,在电流密度为(0.27~0.37)A·cm^-2,温度(30~35)℃,时间(15~20)min的条件下进行电解抛光所得的效果较好。试样表面粗糙度Ra由13.66μm降至1.52μm,厚度减薄率在(6~7)%左右,试样表面平整光亮,均一性较好。     

激光选区熔化成形薄壁件研究进展

激光选区熔化是一种可以实现近净成形的数字化制造技术,能够制造传统工艺不能生产的复杂薄壁件,被认为是未来制造业的主导方向,应用前景广阔。综述了激光选区熔化成形薄壁件的研究现状,针对于激光选区熔化成形薄壁件成形质量较差、力学性能偏低等问题,重点介绍了工艺参数、热处理工艺以及壁厚等因素对激光选区熔化成形件微观组织、缺陷、成形质量及力学性能的影响,其中成形壁厚存在阈值,随着壁厚增加,薄壁孔隙先增加后减小,力学性能呈相反趋势。最后总结了薄壁件激光选区熔化成形存在的问题及未来的研究方向。     

选区激光熔化成形金属零件表面粗糙度研究进展

选区激光熔化(SLM)作为一种新型金属增材制造技术,具有可批量化、高精度、近净成形的特点,尤其适用于制备高性能、复杂精细结构的金属零件,在航空航天和生物医疗等领域具有广泛的应用.然而,目前SLM成形零件的表面质量仍难以直接满足工业应用的需求,优化工艺参数与不同的后处理工艺成为控制成形件表面质量的主要途径.SLM成形件的后处理工艺主要包括机械加工、表面喷砂、激光抛光、化学抛光、电解抛光、超声波表面改性等.但是,具有特定用途的零件对其表面的耐磨性、缺口敏感性、流体摩擦阻力等提出了更高的要求.因此,选择金属零件的后处理工艺时,需要结合零件的应用背景来选择合适的处理工艺.本文基于SLM技术原理和特点,概述了影响SLM成形件表面粗糙度的主要因素,归纳了改善成形件表面粗糙度的主要后处理工艺,最后对控制SLM成形件表面粗糙度所面临的挑战和未来的发展趋势进行了展望及总结.     

激光选区熔化成形装备的发展现状与趋势

激光选区熔化成形是最有前景的增材制造技术之一,近些年来激光选区熔化成形装备得到了迅猛发展。针对激光选区熔化成形尺寸偏小、成形精度偏低等问题,重点介绍了大尺寸、高精度激光选区熔化成形装备的发展现状,综述了使用长焦距f-θ场镜、振镜移动和多光束拼接成形等大尺寸成形方法以及采用短焦距f-θ场镜+低功率激光器和增减材复合制造等高精度成形方法,对各方法的原理和特点进行了阐述。最后,从装备研发、成形质量控制、软件开发、标准体系建立等方面对激光选区熔化成形技术的发展进行了展望。     

TC4钛合金选区激光熔化与层间激光冲击强化复合工艺

目的 改善激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)工艺成形的TC4合金的内部缺陷,提高疲劳寿命。方法 选用TC4钛合金为研究对象,提出了SLM结合层间激光冲击(3D-Laser Shock Peening,3D-LSP)与热处理的强化工艺,对复合制造工艺下的微观组织、内部缺陷和力学性能演变进行了研究,并建立了复合强化工艺制造样品的疲劳寿命模型。结果 在激光冲击影响区域内形成了0.2 mm深度的高幅值残余压应力,并在1 mm深度范围内改善了应力场,且显微硬度得到了提升,内部缺陷数量减少了36%,疲劳寿命提升了40%以上。结论 实现了SLM增材制造TC4钛合金的缺陷在线闭合、微观组织改性和疲劳寿命的提升,揭示了层间激光冲击对内部缺陷的闭合机理,为金属SLM复合增材制造的研究与应用奠定了理论基础。     

激光选区熔化成形金属件的缺陷类型及表征方法概述

激光选区熔化成形是一种典型的金属增材制造技术。本文首先对激光选区熔化成形的技术原理进行阐述,然后针对该技术的工艺参数及工艺参数对打印件质量的影响进行分析和总结,重点对金属打印件中可能出现的缺陷进行分类和成因分析。在激光选区成形技术制备的金属件中主要包括两类缺陷,一类是组织缺陷,包括气孔、孔隙、未熔合缺陷、裂纹、高密度夹杂及组织的各向异性等;另一类为包括球化、残余应力、翘曲变形、几何误差等在内的非组织缺陷。最后就组织缺陷的无损检测技术的种类和应用范围进行归纳总结,并对未来缺陷检测技术的发展进行展望。     

激光选区熔化增材制造吸收率的研究进展

在研究激光选区熔化增材制造过程中材料吸收率是一个具有科学和实际意义的问题,它不仅是工艺过程精确性仿真的前提条件,而且为所选用的金属粉末材料定义一组工艺条件,使其更适合于激光选区熔化成形。本文首先介绍了激光与粉末床相互作用机理,然后总结了激光选区熔化过程中吸收率的常用测量方法,并在此基础上综述了国内外学者运用不同方法研究吸收率的进展和比较分析了各种方法的特点及测量时的注意事项。此外,重点对可能影响吸收率的因素进行了详细分类和阐述。最后就当前的研究进展及所面临的主要问题进行归纳总结,对未来吸收率的研究进行了展望。     

化学腐蚀工艺对激光选区熔化成形TC4钛合金表面粗糙度的影响

采用化学腐蚀技术解决激光选区熔化(Selective laser melting, SLM)成形钛合金表面黏附粉末导致表面粗糙的问题,系统研究了腐蚀溶液成分及工艺参数对SLM成形TC4钛合金表面粗糙度的影响。研究结果表明,腐蚀液的成分配比与腐蚀时间是主要的影响因素,随着HF/HNO3体积比的减小,样品表面粗糙度降低效果减弱。当HF/HNO3=1/4时,随着腐蚀时间的增加,样品表面粗糙度显著降低,但当腐蚀时间过长时会造成对基体的损伤。当HF∶HNO3体积比=1∶4,腐蚀时间为9 min时,样品表面粗糙度为2.52μm,同时腐蚀处理过程对样品的尺寸影响较小(降低0.12 mm),此时达到一个最佳状态。     

激光选区熔化成形TC4合金腐蚀行为

采用激光选区熔化成形技术(Selective Laser Melting,SLM)制备TC4钛合金试样,观察其显微组织,并用电化学腐蚀实验测试不同成形面以及粗糙度对TC4钛合金耐蚀性能的影响,并与传统轧制态进行对比。结果表明:成形方式、成形面和粗糙度均影响TC4钛合金的耐蚀性能。激光选区熔化成形技术制备的TC4钛合金纵截面由原始柱状β晶粒和与生长方向成±45°针状α′马氏体组成,横截面上的晶粒呈棋盘状。传统轧制态由片状α+β相以及等轴α相组成。传统轧制态的耐腐蚀性要强于SLM成形的试样,且SLM成形的纵截面的耐腐蚀性要强于横截面。表面粗糙度小的试样耐腐蚀性要强于表面粗糙度大的试样。激光选区熔化成形态试样腐蚀表面都出现明显的腐蚀坑,腐蚀形态均为点蚀。     

选区激光熔化工艺参数对Ti-6Al-4V成形质量的影响

选区激光熔化是一种利用高能束选择性熔化金属粉末进而直接制造复杂几何形状产品的增材制造技术。采用选区激光熔化成形Ti-6Al-4V样品,分析影响选区激光熔化成形质量的主要因素,采用体式显微镜、金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计系统研究了不同工艺参数对Ti-6Al-4V合金选区激光熔化成形样品的表面形貌、致密度、组织、显微硬度的影响规律。研究得出Ti-6Al-4V合金选区激光熔化成形的优选工艺参数为:扫描功率450W,扫描速度2 500mm/s,扫描间距0.07mm,该工艺参数下打印出的样品具有较为优良的成形质量,致密度高达97.8%,显微硬度平均值为446HV。     

激光选区熔化成形高强铝合金晶粒细化抑制裂纹研究现状EI北大核心CSCD

高强铝合金(2×××,7×××等)因具有比强度高、加工性好等优点而被航空航天、汽车等领域广泛应用。随着大推重比飞行器设计及汽车轻量化技术的发展,轻质结构材料的需求日益增加,同时零部件也面临着“薄壁化、中空化、复合化”的发展趋势,高强铝合金的传统加工方法越来越难以满足要求。近年来,激光选区熔化成形(selective laser melting,SLM)作为一种常见的金属增材制造技术(additive manufacturing,AM)在复杂零部件成形领域受到关注,有望成为进一步拓宽高强铝合金应用领域的新兴技术。然而,SLM成形高强铝合金因易产生周期性热裂纹和粗大柱状晶不良组织等问题而发展缓慢,晶粒细化是克服增材制造高强铝合金这一固有热裂问题的关键所在。本文综述了近年来SLM成形高强铝合金显微组织和力学性能调控等方面的研究进展,归纳了不同体系合金的力学性能,重点阐述了抑制SLM成形高强铝合金中热裂纹形成的主要策略,包括SLM工艺参数优化以及通过微合金化或添加纳米颗粒细化晶粒等方法。指出当前研究存在的主要问题是合金成分的改变对材料综合性能以及热处理制度的影响规律尚不清晰等,并展望了未来的发展趋势,如SLM成形新型高强铝合金成分设计与综合性能评价、利用后处理工艺等手段进一步提升合金综合性能以及专用晶粒细化剂的设计与细化机制探究等。     

退火态激光选区熔化成形AlSi10Mg合金组织与力学性能

AlSi10Mg合金具有高比强度、高耐磨性等优良特点。由于其成分接近共晶点,成形性能良好,被广泛应用于激光选区熔化技术。然而其热处理制度仍然沿用传统铸态合金的热处理规范,影响了其性能的充分发挥。本工作采用激光选区熔化技术制备了AlSi10Mg合金,并研究了沉积态和后续热处理过程中组织演化规律及其对室温力学性能的影响机制。研究发现：沉积态组织由沿沉积方向生长的α-Al柱状枝晶及枝晶间网状Al-Si共晶组成,具有强烈的〈100〉方向织构,沉积层由三部分组成,分别是细晶区、粗晶区及热影响区,抗拉强度389.5 MPa,伸长率4%。退火过程中,共晶Si破碎、球化,基体中过饱和Si不断析出长大。当退火温度从200 ℃提高到500 ℃时,Si颗粒发生Ostwald熟化,平均尺寸增长了23倍。经过300 ℃和500 ℃退火处理后,试样抗拉强度分别为287.0 MPa和268.0 MPa,但伸长率分别提高到10.3%和17.2%。     

面向激光选区熔化金属增材制造的检测技术研究进展

激光选区熔化技术(简称SLM)近些年来发展迅速,已应用于航空航天、医疗、模具等诸多领域。首先综述了近几年SLM领域的在线检测、离线检测技术的进展,重点介绍了SLM的在线检测手段,如利用同轴/旁轴原位架构的高速CCD及红外成像装置获取SLM过程中丰富的可见光和红外信息,介绍了相关描述子提取方法,并研究描述子与SLM成形质量的相关性,另外,少部分学者基于声信号信息源、光电二极管进行了单熔道成形质量的分类识别检测。此外,还介绍了SLM的离线检测手段,除传统的材料测试分析方法外,显微CT和激光诱导击穿光谱学为SLM的缺陷三维表征和成分分析提供了高效新型的工具;在此基础上,进而重点综述了SLM的过程监测及反馈控制策略。其中,介绍了常见的机器学习模型(K均值聚类分析、支持向量机、深度置信网络、卷积神经网络等)及其在SLM过程统计描述子提取中的研究进展。还介绍了统计过程控制方法在SLM的特征量间和特征量与SLM成形质量间的关系分析及控制图生成方面的应用;最后,对SLM在线和离线检测研究进展进行了总结,并对其主要发展方向进行了展望。     

激光选区熔化TC11钛合金的断裂机理及异种载荷下裂纹扩展研究

目的 基于航天航空领域损伤容限性钛合金的设计理念,研究沉积态TC11钛合金拉伸速率相关的断裂机理及异种载荷形式下裂纹扩展路径。方法 采用电子背散射衍射(EBSD)表征由激光选区熔化(SLM)制备的沉积态TC11钛合金的晶粒形貌,利用扫描电子显微镜分析不同应变速率下TC11钛合金的断口形貌和缺陷分布,针对无法原位实时追踪裂纹扩展路径的问题,利用Abaqus相场UEL对裂纹扩展进行研究。结果 沉积态TC11钛合金中,∥BD截面上的晶粒主要为柱状晶并有少部分等轴晶,⊥BD截面上的晶粒全部为等轴晶,组织为由密排立方结构(HCP)的针状α相构成的马氏体,无明显晶粒取向;瞬时载荷下,载荷为1、1.5、2 MPa时,切向裂纹宽度分别为0、7.69、14 mm,角度分别为108°、92°、82°;周期载荷下,载荷为1、1.1、1.2、1.35、1.5 MPa时,裂纹宽度分别为15.56、11.87、26.23、20.51、20.92 mm。结论 随拉伸速率的增加,断裂机理由韧性断裂转化为脆性断裂;瞬时加载时,裂纹萌生并切向扩展,进而裂纹分叉直至完全断裂,且载荷的增加对沉积态TC11钛合金切向裂纹有促进作用,同时可抑制裂纹的分叉;周期加载时,载荷的增加对裂纹宽度先是起促进作用,裂纹达到最大值后稳定在25~20 mm。     

选区激光熔化Ti6Al4V合金的各向异性

采用金相分析和拉伸测试等方法,分析了激光熔化成形Ti6Al4V试样在不同沉积高度、不同方向截面的组织和性能。结果表明,平行于沉积方向的截面其组织类似柱状晶,具有较弱的织构特征;垂直于沉积方向的截面其组织为块状结构,具有较强的织构特征。选区激光熔化成形Ti6Al4V合金在沉积高度方向上的力学性能受柱状晶尺寸的影响,随着沉积高度的增大其抗拉强度和屈服强度先降低后升高而延伸率先提高后降低。织构和熔合不良等缺陷,使试样垂直于沉积方向上的强度和塑性都比平行于沉积方向的试样高。     

激光增材制造体育器材用TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为研究

目的 揭示应力比对增材制造TC4钛合金疲劳裂纹扩展行为的影响规律。方法 采用紧凑型拉伸试样,在恒载荷幅条件下对激光增材制造TC4钛合金进行了应力比为0.1、0.3和0.5的疲劳裂纹扩展实验,定量评价了不同应力比下合金的疲劳裂纹扩展速率和变化规律。基于Paris公式对裂纹扩展速率进行了拟合,分析了应力比对各参数的影响规律。最后通过扫描电镜对断口表面形貌进行了观察,分析了应力比对断裂模型的影响。结果 在相同的?K条件下,疲劳裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。在Paris公式中,参数C随应力比的增大而减小,参数m随应力比的增大而增大,并且m和lg C呈现线性关系。随应力比的增大,断口表面的河流花样增多、疲劳辉纹变浅、二次裂纹数量增加。结论 应力比引起的裂纹尖端闭合效应和平面应力比变化是导致裂纹扩展速率发生改变的主要原因。     

粉体性能及选区激光熔化打印工艺对AlSi10Mg合金致密化行为的影响

本研究重点探索了AlSi10Mg合金的粉体性能以及选区激光熔化(SLM)打印工艺对AlSi10Mg合金粉体致密化行为的影响。通过对两种粒度组成不同的球形AlSi10Mg合金粉体在选区激光熔化(SLM)工艺过程中致密化行为的研究,发现AlSi10Mg粉体粒度组成对SLM打印过程中的致密化程度有关键性影响:粗粉含量较高,更有利于较高致密度的SLM打印件的制备。通过选取上述两种粉体中SLM打印性能较高的AlSi10Mg粉体,采用Box-Behnken响应曲面实验设计系统探索了SLM工艺参数对打印件致密度的影响规律,获得了SLM打印工艺参数与打印件相对密度的定量关系模型。研究发现,SLM打印参数中对AlSi10Mg合金相对密度的影响程度从大到小依次为:激光功率、扫描速度、扫描间距;当激光功率为375 W、扫描速度为2 000 mm/s、扫描间距为50μm时,AlSi10Mg打印件的相对密度值可达到98.26%,抗拉强度可达487 MPa。     

镁合金激光选区熔化研究进展

镁合金作为最轻的金属结构材料,在汽车制造、生物医疗等领域具有极大的应用潜力。激光选区熔化成形镁合金具有高效的制备性能、良好的成分均匀性、优异的力学性能和耐腐蚀性能,因此激光选区熔化成为一种重要的镁合金制备和改性方法。对近几年激光选区熔化镁合金的研究进展进行了综述,从激光工艺参数(激光类型、体能量密度、激光功率、扫描速度、扫描模式、层厚、扫描间距、气氛控制与进粉速度)和粉体状态(粉末形状、粒径分布、粉末对激光束能量吸收率、粉末化学成分)2个方面讨论了该工艺的关键技术;按照纯镁、非稀土镁合金体系、稀土镁合金体系的分类,对激光选区熔化成形镁及镁合金的致密度与微观结构、力学性能与耐腐蚀性能进行了总结;分析了工艺参数与合金成分两方面对该工艺成形镁合金缺陷的影响。为减少激光选区熔化成形镁合金缺陷、均匀化晶粒、溶解硬脆二次相或析出强化相进而改善合金的结构与性能,许多研究对激光选区熔化成形镁合金进行了热等静压、固溶热处理和时效热处理,总结了上述处理方式对AZ体系、WE体系与Mg-Gd体系镁合金的改善效果。最后展望了激光选区熔化成形镁及镁合金在各领域的应用前景与未来可以进行研究的方向。