激光增材制造在航空航天领域中的应用

近几年来,增材制造在全球范围内迅速走热,发展增材制造产业已经成为世界主要国家抢抓新一轮科技革命与产业变革机遇,抢占先进制造业发展制高点的竞争焦点之一。增材制造在航空航天领域的应用层面持续扩大,应用深度持续增加,美国Wohlers协会对增材制造在各行业应用情况持续分析中发现:在过去几年里,航空零件制造是增长最快的应用领域,预计2019年产能规模将达到60亿美元。该行业的应用具有小批量多样化的特点,对于轻量化、一体化、拓扑优化、提高材料利用率等具有很高的要求,而增材制造恰好能够最大程度地实现这些特殊需求,具有极高的附加值。     

电弧增材制造技术及其应用的研究进展

电弧增材制造是近年来发展最为迅速的增材制造技术之一,其以电弧为热源,通过熔化金属丝材,在规划的路径上层层堆积成形三维实体金属构件,具有制造成本低、制造自由度与成形效率高等优点,尤其适用于大型尺寸及中低结构复杂度金属构件的形性一体化成形.近年来,电弧增材制造技术在国内外得到了广泛研究与长足发展,在电弧增材制造装备、过程控...     

高性能金属材料激光增材制造应力变形调控研究现状

随着激光增材制造基础理论研究和设备水平的提升,激光增材制造技术越来越多地应用于大型复杂结构的生产制造。激光增材成形过程中形成的应力会导致成形件变形、开裂,因此应力变形的控制是激光增材制造过程亟待解决的关键问题。本文总结了激光增材制造残余应力形成机制、应力变形测试技术和应力变形调控措施等方面的研究现状,提出了激光增材制造应力变形调控存在的主要问题及以后的研究方向,为高性能金属构件激光增材制造"控形"研究提供指导。     

增材制造金属材料的疲劳性能研究进展

金属增材制造作为前沿热点制造技术之一,近年来在各种重要工业领域的研究和应用日益广泛。利用增材制造技术制备金属材料的过程中,不可避免会造成材料表面粗糙、气孔、未熔合等缺陷,虽然工艺技术的改进可以在一定程度上减小缺陷程度,但至今仍无法完全消除这些缺陷。增材制造金属材料的过程中,缺陷部位通常会成为应力集中源诱发疲劳裂纹的形核,造成金属材料的疲劳寿命下降。首先从表面质量、内部缺陷及微观结构等方面阐述了增材制造金属材料疲劳性能的影响因素;其次从宏观与微观角度概括了疲劳裂纹萌生/扩展机理的研究现状与进展;总结了热处理、表面优化、电磁辅助以及超声辅助等疲劳延寿技术的研究进展;最后讨论了基于机器学习技术的疲劳寿命评估模型,同时展望了机器学习和人工智能技术在增材制造金属材料领域的应用前景,为推动增材制造金属材料的发展和应用提供了借鉴与参考价值。     

增材制造金属材料在医学生物学的研究新进展

增材制造(Additive manufacturing, AM)又称3D打印,它是将计算机辅助设计、材料加工和成型技术相融合,并以数字模型文件为基础,通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料,按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积,制造出实体物品的一种制造技术。自其问世以来,人们在了解增材制造工艺及其所制备的金属试样结构和性能方面取得了重大进展。这一领域迅速的发展让科研人员对于金属增材制造的理解日益深入,本文旨在重点介绍钛及钛合金、钽及钽合金、镁合金和铁及铁合金金属增材制造材料在医学生物学方面的应用及研究新进展,阐述其在打印工艺及机理、表面改性处理及临床示范应用等方面的研究现状,并对其应用研究前景进行展望。     

增材制造技术在航空铸造领域的应用

增材制造技术是一种兼顾精准成型和高性能的一体化制造技术,其产品因生产周期短、成本低和复杂结构构件制备等方面的优势而备受关注,在多个领域都有所应用。铸造技术作为一种典型的传统工艺,在复杂结构构件和大型件制造方面也具有独特优势,即使在材料加工技术日新月异的今天也无法被取代,但铸造技术也因为长周期、复杂成型件的冶金及尺寸缺陷控制困难等因素的限制,需要谋求新的工艺发展方向。对于航空铸件而言,缩短研制周期,提高冶金质量尤为重要,本文旨在探讨增材制造技术在航空铸件制造方向的应用,将增材制造技术与传统的铸造技术进行深度融合,实现航空铸件短周期、低成本、高性能、精确成型和功能优先设计。     

超声增材制造在航空航天领域的应用进展

金属超声增材制造是一种低温、固态的加工技术，其原理是在近室温环境中通过超声波振动在金属带材之间建立冶金结合，制造过程中金属不会熔化。利用超声增材与机械加工相结合的技术能够制备出精细的内外部结构。然而，超声增材层间结合机理仍在不断研究中，层间界面微结构和结合质量与工艺参数间的关系不清晰，使得界面处容易发生失效，加之目前应用的材料体系范围有限，导致超声增材的应用受到极大限制。因此，国内外的工作主要集中在以下四个方面：（1）层间结合机理研究；（2）超声固结工艺参数优化及建模；（3）异种材料结合特性研究；（4）支撑材料研究。现有研究表明，塑性成形是层间结合的主要驱动力，而加工过程中界面处的晶粒破碎以及动态疲劳破坏会导致层间结合变弱；利用试验和数值模拟研究，明确了振动振幅、焊接速度、下压力和固结宽/高比是影响结合强度的重要工艺参数，通过建立不同材料的工艺窗口，可指导实际加工过程；钛、铝、铜、不锈钢等面心立方体金属之间具有好的结合强度，而对非面心立方体材料而言Al1100和Al3003是理想的结合材料，在铝合金基材中嵌入SiC纤维和NiTi形状记忆合金时，其结合强度主要受振动振幅、速度、下压力、基...     

增材制造的现状与应用综述

目的 为推动增材制造技术与新材料、新工艺和产业应用的加速融合提供技术信息参考.方法 首先通过文献计量分析法,以"增材制造"为关键词,分别对2016—2021年的WOS和CNKI核心文献数据库的进行分析,得出近5年国内外增材制造的研究方向和研究热点;然后从增材制造技术的发展阶段、技术标准体系、材料类型、成形工艺类型等方面介绍增材制造技术的研究现状,着重梳理了不同材料与工艺类型增材制造技术的对应关系,归纳了各类增材制造技术的成形原理、材料、工艺特点和技术优势;接着探讨了增材制造技术在航空、航天、船舶、汽车、模具、铸造、建筑、医疗、文化创意等产业领域的应用场景和应用案例,以及产业化应用的问题;最后分析了国内增材制造面临的挑战和发展前景.结论 综述了增材制造技术的现状与应用情况,为增材制造技术成果推广和产业应用提供技术资讯,具有一定的参考意义.     

增材制造高性能聚合物及其应用研究进展

增材制造(AM),通俗称作3D打印,由于其"控形控性"的优点,已在航空航天、光电工程、微电子等领域受到广泛关注和迅速发展.在各领域的实际应用中,开发3D打印材料是直接决定其应用和发展的关键.因此,本文就目前高性能聚合物3D打印材料及先进智造技术进行综述,重点介绍聚合物3D打印技术、3D打印高性能聚合物材料及其相关应用,...     

增材制造技术环境影响及其生命周期评价的研究进展

为了满足不同工业领域的需求,目前已有多种利用材料沉积方法进行增材制造(AM)的技术.其中,电弧增材制造(Wire and arc additivemanufacturing,WAAM)是一种发展迅速的增材制造技术,具有低能耗、低碳和低成本的优势,适合大型复杂金属零部件成型.虽然增材制造技术在材料、工艺、机械装置和系统集成方面发展快速,但对环境的影响仍未引起重视.由于不同的制造工艺所需的材料和能源差异较大,一般来讲,增材制造技术相对于传统工艺的总体优势不明显.因此,除了对增材制造技术本身以及工艺性能等方面进行研究外,还需要分析不同工艺方法对环境的影响.生命周期评价(LCA)是一种对产品、工艺或活动从原材料获取到最终处理全过程的重要环境管理评价工具,被越来越多地运用到不同材料制造工艺的分析与研究中.但LCA在增材制造领域中的应用和研究还较少,目前研究主要集中在粉末增材制造工艺的能源消耗和成本方面,在能源对环境影响以及生命周期数据清单方面还很少,尚未见到对电弧增材制造技术的环境影响及评价的报道.因此,有必要对这一领域进行更深入的研究.本文介绍了生命周期评价的定义和技术框架,并基于生命周期评价方法,从确定目标和范围、清单分析、环境评价和结果解释四个方面,评述了电弧增材制造部件在整个生命周期中所有物质和能量对环境影响的研究现状.同时将增材制造技术与不同的工艺方法进行了对比,分析了不同增材制造技术对环境影响的特点和进展.     

金属多材料增材制造研究现状与展望

当代社会对产品的功能及性能的要求越来越高,苛刻的使役条件要求零件具有功能耦合、多环境适应的能力。金属多材料增材制造技术相比传统制造技术具备更大的优势,在航空航天、汽车工业、电力行业、生物医学等领域中均具有广阔的应用前景。研究了电子束增材制造、电弧增材制造和冷喷涂增材制造在金属多材料增材制造中的应用现状以及最新发展。重点研究了金属多材料增材制造技术在宏观成形精度、微观组织缺陷和粒子界面结合中存在的关键问题。最后,指出了金属多材料增材制造技术在材料种类、基础理论、零件复杂度、质量控制等方面的发展趋势。将为金属多材料应用于增材制造技术提供新的思路和借鉴价值。     

航天用镍基高温合金及其激光增材制造研究现状

新型航天器用镍基高温合金部件呈现出复杂化、薄壁化、复合化、一体化的发展趋势,使得传统的铸造或锻造加工技术无法胜任。基于逐层堆积的激光增材制造(LAM)技术是实现这类复杂部件制备的理想解决方案,能够进一步赋予高温合金更高的价值,极大地推动航天装备的发展。首先介绍了航天领域常用的镍基高温合金种类,然后以研究最多的IN 718和IN 625合金为例,总结了镍基高温合金增材制造的研究现状:归纳了镍基高温合金增材制造工艺优化方法,表明增材制造综合加工图和实验设计方法是两种行之有效的方法;指出了增材制造镍基高温合金材料的微观组织特点,讨论了增材制造后续热处理对材料微观组织和力学性能的影响规律,表明增材制造技术极快速冷却的特点引起镍基高温合金材料内部存在普遍的局部微观偏析现象,导致常规热处理工艺不再是最优工艺;并通过5个典型的增材制造镍基高温合金航天构件案例展示了增材制造技术的优势。在此基础上,针对镍基高温合金增材制造过程中存在的关键科学问题和技术难题,展望了增材制造镍基高温合金未来的研究方向。     

增材制造及其在设计中的应用研究综述

目的 工业4.0如今在国际上的发展方兴未艾,定制化、个性化、智能化、敏捷性等特征已成为工业设计领域的发展趋势.基于未来智造时代的卓越技术——增材制造,并结合材料、工艺、用户感官认知等多维度方向,共同指导产品设计实践,以提供能够快速、高效地开发可用、易用的产品设计方法.方法 通过文献搜集和整理,分析了增材制造的发展趋势及研究现状,探讨了增材制造在材料学和工业设计的前沿交叉领域的融合机制与应用,进而拓展到新工艺、新材料对用户感知的设计研究,并对相关探讨及研究成果进行了阐述.结论 总结了国内外增材制造、工业设计的研究现状及发展趋势,从增材制造、新材料、工业设计、认知心理学及其相关方法与技术的融合等方面,分析了影响未来智造时代的敏捷设计、用户感知等因素,以"增材制造、材料、设计感知"为主题,从工艺、材料、感知、认知等多维度探讨了增材制造在产品设计实施中的应用趋势.     

金属增材制造技术的理论研究现状讨论

综述了金属增材制造技术的理论研究现状及目前国外对金属增材制造数值模拟仿真所开展的工作;介绍了数值模拟增材制造过程的基本流程和要点,从理论上对金属增材制造过程包含的物理特性变化进行了简单分析,并分类讨论了金属增材制造过程数值模拟的三个主要结果:温度场、残余应力以及热影响区的特性;指出了金属增材制造过程中数值模拟的有效性及对今后工作的展望。     

金属增材制造技术及其专用材料研究进展

金属增材制造已成为先进制造技术的一个重要发展方向,是制造领域的国际制高点,有着广阔的发展前景,也存在着巨大的挑战。介绍了激光选区熔化、电子束选区熔化、激光立体成形、电子束熔丝沉积等金属增材制造技术在成形装备、工艺技术和应用方面的研究进展,总结了增材制造用金属粉末和丝材的研制情况,指出了现阶段该技术存在的问题和未来研究方向。     

钴基高温合金增材制造研究现状及展望

钴基高温合金是一种在高温下具有高强度、良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能的材料,被广泛用于航空航天等领域。钴基高温合金增材制造技术具有材料利用率高、制造周期短和能够制造较为复杂零件等优点,相对于传统制造技术有巨大的优势,受到了社会的广泛关注。对钴基高温合金的合金化原理进行了阐述,总结了国内外钴基高温合金增材制造所使用的不同工艺方法,重点对钴基激光增材制造技术、钴基电子束激光增材制造技术进行了分析,综述了各种方法的研究现状和最新成果。评价了钴基高温合金增材制造技术在材料利用率、内部缺陷、成形精度、相关标准化方面的不足,并对钴基高温合金增材制造技术发展方向提出了预测。     

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.     

电弧增材制造路径工艺规划的研究现状与发展

路径工艺的合理规划对电弧增材制造成形过程的顺利进行,以及获取更高精度的成形件和提高成形效率等均有重要意义。先从成形效率、成形精度以及组织性能等方面,对常见的几种填充路径进行综述,然后经过分析总结并且结合实际情况,发现把自适应路径间距和复合式填充路径结合起来更能满足实际生活中的电弧增材制造生产要求,最后结合当前电弧增材制造技术路径规划的研究现状、研究重难点以及相关国家政策指出,电弧增材制造技术的未来发展趋势是实现复杂构件的自动化、智能化和绿色化制造。