增材制造铜/钢双金属材料研究进展

铜/钢双金属材料具有力学强度高、物理化学性能优良等优势,在交通运输、电力能源和建筑工业等领域应用前景广阔。然而,传统熔铸工艺在制造铜/钢双金属材料时,容易在铜/钢界面处产生偏析现象,在一定程度上限制了铜/钢双金属材料的发展。与传统工艺相比,增材制造技术不仅能实现复杂加工零件的快速制造,而且在成形过程中较短的保温时间能缓和或消除异种金属材料界面产生的冶金缺陷,进而增强铜/钢双金属材料的力学性能。由于双金属材料是近年来的研究热点,有关增材制造铜/钢双金属材料的综述性文章较少,故综述了近年来激光、电子束及电弧增材制造技术制造铜/钢双金属材料的研究发展现状,分析了各技术的优缺点,并从制备方法、工艺参数及界面合金元素等角度,分析了影响材料界面组织性能变化的关键因素。发现在增材制造铜/钢双金属材料方面,目前激光增材制造技术主要应用于精度要求较高的小尺寸零部件,电子束增材制造技术适用于某些具有特殊性能的合金,如钛合金,而电弧增材制造技术适用于精度要求较低的大型复杂零部件。在铜/钢双金属材料增材制造过程中,界面处易形成显微组织分布不均匀、界面晶粒尺寸差异较大等现象,导致界面处产生应力集中,从而造成材料...     

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.     

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...     

增材制造金属玻璃的研究进展

金属玻璃(即非晶合金)具有较高的强度、硬度和耐磨性,优异的耐腐蚀性能等,目前已被广泛应用于制备棒球杆、传感器、电磁铁芯、变压器等。增材制造(即3D打印)技术集节约材料、可个性化定制复杂几何件优点于一身,现被广泛研究和应用。目前已掀起了3D打印金属玻璃的研究热潮。本文主要综述了3D打印金属玻璃的研究进展,在此基础上探讨了其存在的问题以及解决办法。采用优化的工艺参数和扫描策略可部分避免这些问题,对热影响区的温度分布与工艺参数之间的关系模拟研究是解决3D打印成形致密块体金属玻璃问题的关键。     

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。     

镍基高温合金增材制造研究进展EICSCD

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微观组织,还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是,通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理,对晶粒组织、析出相等进行调控,从而影响合金的力学性能。此外,增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备,但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题,将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。     

铜合金增材制造技术研究进展

增材制造技术的迅速发展,给铜合金制造技术提供了新的发展动力。主要综述了近年来国内外不同铜合金增材制造工艺的方法,分析了增材制造研究过程中遇到的增材制造试样晶粒易粗大、易形成裂纹及易引入杂质等问题,对比了不同增材制造工艺方法下,制备的铜合金试样的微观组织和力学性能。在此基础上,着重综述了铜合金增材制造技术研究在不同增材制造工艺方法方面的进展,并对增材制造试样与传统铸造试样的微观组织和力学性能进行对比。最后,对铜合金增材制造技术研究进展进行总结,并对其发展前景和发展方向进行展望。     

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.     

基于搅拌摩擦的金属固相增材制造研究进展EI北大核心CSCD

基于搅拌摩擦的固相增材制造是大型轻质合金构件成形制造的新技术,已成为国内外先进成形制造领域研究的热点之一。本文对目前国内外基于搅拌摩擦的金属固相增材制造技术及其相关工艺机理的研究现状进行了分析和总结。常见的基于搅拌摩擦的固相增材制造技术可分为三类:基于搅拌摩擦搭接焊原理,使板材逐层堆积,从而获得增材构件的搅拌摩擦增材制造(friction stir additive manufacturing,FSAM)技术;采用中空搅拌头,通过添加剂(粉末或丝材)进行固相搅拌摩擦沉积的增材制造(additive friction stir deposition,AFSD)技术;采用消耗型棒材,通过棒材的摩擦表面处理,形成增材层的摩擦表面沉积增材制造(friction surfacing deposition additive manufacturing,FSD-AM)技术。重点分析了金属材料基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的国内外研究与应用现状,对比了三类基于搅拌摩擦的固相增材制造技术的特征及其工艺优缺点。最后指出增材工艺机理、形性协同控制、外场辅助工艺改型、新材料应用和人工智能优化是基于搅拌摩擦的固相增材制造技术未来研究的重点方向。     

Epitaxial Growth and Stray Grain Control toward Single-Crystal Metallic Materials by Additive Manufacturing: A Review

Additive manufacturing (AM) possesses tremendous potential in controlling epitaxial growth of deposited materials, and thus attempts have been made to employ AM technology to fabricate or repair single-crystal (SX) metal parts in recent years. One of the key issues in producing SX structures is the elimination of stray grain (SG) formation, but the layer-wise fabrication nature of AM processes makes SGs difficult to avoid. Herein, the state-of-the-art developments in this emerging research area are surveyed. It introduces the fundamental mechanisms of epitaxial growth in AM, summarizes the recent innovations and findings on using AM techniques to assist epitaxial growth and avoid SGs for SX metallic materials, discusses the relation of stray-grain avoidance and crack-free microstructure, and reviews the analytical and numerical modeling efforts for epitaxial growth and texture control. In addition, the challenges in achieving defect-free SX microstructure are discussed, such that future research directions are pointed out. It is believed that this critical review provides insights on microstructure control for AM-produced metallic materials and lays a solid foundation to stimulate more rigorous research.     

High-Throughput Alloy Development Using Advanced Characterization Techniques During Directed Energy Deposition Additive Manufacturing

In laser-based direct energy deposition (DED-LB) additive manufacturing (AM), wire or powder materials are melted by a high-power laser beam. Process-specific characteristics enable robust in situ fabrication of compositionally graded materials, e.g., through an adaption of powder mass flow from independent hoppers. Based on the high flexibility of this approach, pathways toward multimaterial AM have been unlocked. Obviously, such characteristics enable high-throughput alloy development. However, rapid alloy development demands substantial characterization efforts to assess phase and microstructural evolution. So far, property analysis is considered as the limiting factor for these high-throughput approaches. Herein, the use of high-brilliance X-Ray analysis and subsequent micropillar compression testing are introduced to tackle these challenges. As a proof of concept, their application to a compositionally graded material made from AISI 316L stainless steel and a CoCrMo alloy is presented. The results obtained reveal that X-Ray analysis can be exploited to evaluate process robustness, chemical characteristics, and phase composition within the gradient regions. Moreover, the use of micropillar compression testing provides spatially resolved insights into the mechanical properties of the gradient regions. The combination of both characterization techniques eventually opens pathways toward a robust and time-efficient alloy development using powder-fed DED-LB (DED-LB/P).     

Powder-Based Additive Manufacturing: A Critical Review of Materials,Methods, Opportunities,and Challenges

As a 0D material, powder particles can be used to create almost any complicated engineering component by utilizing the high-performance manufacturing capabilities of additive manufacturing (AM). Although powder-based AM methods provide an outstanding practical value and development for modern manufacturing world, they continue to face challenges such as a lack of accessible categories, temperature restrictions, and poor performance of molded components. Therefore, researching for new AM materials and procedures has become an extremely necessary endeavor. For this purpose, a firm grasp of the current state of the art of powder-based AM technologies is imperative. Hence, herein, a comprehensive review is presented on the most widely used powder-based AM methods, and the materials used by these methods. For each method, the development and current state, operating principles, limitations, and future prospects are summarized. In contrast, for materials, their classifications, properties, and preparation methods are explored in great detail, while also commenting on the specific compatibilities between powder materials and powder methods. Industrial and commercialized applications of powder-based AM are also presented in this work. Finally, the limitations of the current powder-based technologies are highlighted, with comments regarding the future of this field.     

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...     

电子束粉末床熔融增材制造装备发展综述

电子束粉末床熔融(EB-PBF)增材制造技术具备成形效率高、成形零件应力低等优势,适用于高温合金、高熔点金属的成形,在航空航天、生物医疗等领域具有广阔的应用前景。对电子束粉末床熔融装备的研究情况进行了概述,回顾了EB-PBF装备的发展历程,汇总分析了国内外主要厂商的装备特点及研发进展,综述了抗吹粉、多材料、多束流复合3个方面装备的关键改进与创新方法。在此基础上,着重介绍了离子中和、机械装置屏蔽、近红外预热等新型成形舱改进方案,及其对工艺过程稳定性的提升效果;介绍了新型铺送粉装置改进方案对多材料成形的潜力,即该方案可有效满足多材料成形、成形效率提高等需求;此外提出并实现了多电子枪同幅加热成形、电子束-激光复合成形等突破传统单电子枪加工思路的新型成形技术。最后,总结了该方向的研究进展并对其发展前景和主要发展方向进行了展望。     

增材制造常用塑料的材质感性意象研究

目的 明确增材制造的手板模型常用的塑料材料,给工业设计师和生产制造工程师带来的感觉差异性,为材料选取提供合理意见.方法 运用感性工学理论,构建塑料材料物理特性和感性意象词汇群的对应关系.选择适合增材制造的自由曲面形态,采用语义差异法和李克特五级量表,对6种代表性材料样本进行感觉意象认知分析,通过SPSS统计感性意象词汇测量数据,运用独立T检验方法判断了两类人群感觉是否具有显著性差异,并分析材料物理特性对感受差异性的影响.结论 将抽象的感性意象词汇与材料的关键物理特性建立起感知联系,为专业人员手板模型制作过程的材料选择提供了参考.     

Additive Manufacturing of Titanium Alloys for Orthopedic Applications: A Materials Science Viewpoint

Titanium‐based orthopedic implants are increasingly being fabricated using additive manufacturing (AM) processes such as selective laser melting (SLM), direct laser deposition (DLD), and electron beam melting (EBM). These techniques have the potential to not only produce implants with properties comparable to conventionally manufactured implants, but also improve on standard implant models. These models can be customized for individual patients using medical data, and design features, such as latticing, hierarchical scaffolds, or features to complement patient anatomy, can be added using AM to produce highly functional patient‐anatomy‐specific implants. Alloying prospects made possible through AM allow for the production of Ti‐based parts with compositions designed to reduce modulus and stress shielding while improving bone fixation and formation. The design‐to‐process lead time can be drastically shortened using AM and associated post‐processing, making possible the production of tailored implants for individual patients. This review examines the process and product characteristics of the three major metallic AM techniques and assesses the potential for these in the increased global uptake of AM in orthopedic implant fabrication.

     

Hydrogel Bioink Reinforcement for Additive Manufacturing: A Focused Review of Emerging Strategies

Bioprinting is an emerging approach for fabricating cell-laden 3D scaffolds via robotic deposition of cells and biomaterials into custom shapes and patterns to replicate complex tissue architectures. Bioprinting uses hydrogel solutions called bioinks as both cell carriers and structural components, requiring bioinks to be highly printable while providing a robust and cell-friendly microenvironment. Unfortunately, conventional hydrogel bioinks have not been able to meet these requirements and are mechanically weak due to their heterogeneously crosslinked networks and lack of energy dissipation mechanisms. Advanced bioink designs using various methods of dissipating mechanical energy are aimed at developing next-generation cellularized 3D scaffolds to mimic anatomical size, tissue architecture, and tissue-specific functions. These next-generation bioinks need to have high print fidelity and should provide a biocompatible microenvironment along with improved mechanical properties. To design these advanced bioink formulations, it is important to understand the structure–property–function relationships of hydrogel networks. By specifically leveraging biophysical and biochemical characteristics of hydrogel networks, high performance bioinks can be designed to control and direct cell functions. In this review article, current and emerging approaches in hydrogel design and bioink reinforcement techniques are critically evaluated. This bottom-up perspective provides a materials-centric approach to bioink design for 3D bioprinting.