激光金属沉积成形过程中温度场的数值模拟

为了降低成形过程的热应力,根据有限元方法中的“单元生死”技术,利用APDL语言编程实现了对多道多层激光金属沉积成形过程三维温度场的数值模拟,再现了成形过程中温度场的动态变化,得到了成形过程中模型温度场及温度梯度的分布规律。结果表明,试样同一纵断面上各节点虽然被激活的时间不一样,但它们具有相似的温度变化规律;试样内的温度梯度主要沿z轴方向分布,基板内的温度梯度主要沿平行基板方向分布,具有明显的分层现象,熔池区的温度梯度非常大。在相同的工艺参数下,实际成形试样的扫描电镜照片与模拟结果吻合很好。     

激光快速成形过程的热行为及其影响

建立了激光快速成形(LRF)过程熔池的比色测温系统，分别采用实时跟踪和定点测量两种方式实现了熔池温度和熔池后沿冷却速率(温度梯度)的测量。结果表明，随着激光功率和送粉率的增大，熔池温度升高，熔池后沿冷却速率减小;随着激光扫描速度的增加，熔池温度下降，熔池后沿冷却速率增大。单道多层熔覆和多道搭接熔覆过程温度检测结果发现，随着沉积层数和沉积道数的增加，成形过程呈现热累积效应，即熔池温度逐渐升高，而熔池后沿的冷却速率则呈现完全相反的趋势。     

钢/铝异种金属光纤激光焊接数值模拟

为了研究钢/铝异种金属激光深熔焊接的温度分布情况,采用有限元ANSYS软件建立了钢/铝异种金属激光对接焊的数学模型,对焊接温度场进行了模拟。通过计算模拟得到了不同时刻的温度场分布云图、试件表面节点的热循环曲线以及焊接速率对温度场变化的影响,并与实际焊接试验结果进行了对比。结果表明,焊接温度场呈非对称分布,钢一侧的温度梯度大于铝合金一侧的温度梯度;随着焊接速率的增大,热源中心的最高温度会逐渐降低,焊接熔池的熔宽也会随之逐渐变小。模拟的焊缝形状与实际焊接实验得到的焊缝截面的熔合线基本一致,熔池熔宽的模拟结果与实验结果误差在5%以内,验证了模拟结果的准确性。     

激光熔化沉积Ti60合金、TiCp/Ti60复合材料的高温拉伸持久寿命及断裂过程

通过激光熔化沉积工艺制备出Ti60合金和质量分数为5%的TiCp/Ti60复合材料,分析比较了两种材料的微观组织及高温(600 ℃)拉伸持久性能。结果表明,所沉积TiCp/Ti60复合材料中初生TiC呈树枝晶分布于原始β晶界,共晶TiC呈颗粒状分布于α -Ti板条间,TiC的存在导致基体组织细化。TiCp/Ti60复合材料较基体合金具有更加优异的高温(600 ℃)拉伸持久寿命,其高温拉伸持久断裂过程为：增强体与基体界面脱粘、α -Ti/β -Ti的界面处微孔形核、长大、横向扩展及连接,最终导致复合材料的失效。     

沉积路径对激光立体成形钛合金T型缘条热/应力场的影响

分别建立了基于轮廓偏置、长光栅、短光栅三种沉积路径的Ti-6Al-4V合金T型缘条激光立体成形过程热/应力场有限元模型。结果表明熔池最大温度梯度沿竖直方向的分量GYmax比扫描方向的分量GXmax大得多,随成形高度的增加,二者都先下降后快速趋于稳定,最终稳定的GYmax约是GXmax的三倍。短光栅沉积时瞬时最大温度梯度GTmax呈现小幅度的振荡变化,且整体小于另外两种沉积路径。长光栅路径的应力增长速率略大于轮廓偏置路径,短光栅的最小。成形结束后,采用轮廓偏置路径的横、纵向缘条连接处的背面出现应力集中,长光栅沉积的缘条端部存在大范围的应力集中,而采用短光栅沉积的缘条整体应力分布最均匀。沉积结束后,三种沉积方式基板上各个方向的残余应力分布规律基本相同,但是,采用短光栅沉积的基板上应力值比其他两种路径小。     

激光熔化沉积Ti60合金和TiC_P/Ti60复合材料的显微组织及高温拉伸性能

通过激光熔化沉积工艺制备出Ti60合金和TiCP(质量分数为5%)/Ti60复合材料薄壁材料,分析了两种材料的显微组织及600℃下的高温拉伸性能。结果表明,激光熔化沉积Ti60合金具有典型的魏氏组织特征,在亚晶界处和α/β界面处存在球形富钕稀土相;TiCP/Ti60复合材料中存在少量未完全熔化的TiC颗粒,熔化析出的TiC相呈断续链状,均匀分布于基体中,TiC与钛合金基体的界面结合良好。在600℃下,TiCP/Ti60复合材料的拉伸强度比Ti60合金提高了65 MPa,而延伸率明显降低。Ti60合金在高温下发生韧性断裂,而TiCP/Ti60复合材料的断口特征比较复杂,既有沿晶断裂和准解理断裂也有局部的韧性断裂。     

超音速激光沉积石墨/Cu复合涂层微观结构及耐磨损性能

为了提高铜(Cu)材料的耐磨性能,扩大Cu材料的应用领域,采用超音速激光沉积技术在纯Cu表面制备了石墨/Cu复合涂层,研究了不同石墨含量对复合涂层微观组织、显微硬度以及耐磨损性能的影响。研究结果表明,当原始粉末中石墨的质量分数从5%增加至15%时,复合涂层的沉积效率呈下降趋势。石墨作为一种软固体润滑剂,其在复合涂层中含量的提高会降低涂层抵抗塑性变形的能力,进而复合涂层的显微硬度随石墨含量的增加,从122.48 HV_0.2降至95.02 HV_0.2。此外,复合涂层的磨损率也随涂层中石墨含量的增加而降低。故当原始粉末中石墨的质量分数为15%时,所制备的复合涂层具有最优的耐磨损性能,平均摩擦系数为0.179,磨损率为0.71×10^-4 mm³/(N·m)。不含石墨时涂层的磨损机制为黏着磨损,随着涂层中石墨含量的增加,磨损机制从黏着磨损转为磨粒磨损。     

不同工艺策略对机器人增减材复合制造316L不锈钢表面质量和力学性能影响的研究

针对激光定向能量沉积（LDED）成形零件尺寸精度低、表面粗糙度大的问题，采用机器人增减材复合制造平台，研究了不同工艺策略（先增材后减材成形及增减材交替成形）对增减材成形316L不锈钢试样表面质量和力学性能的影响，阐明了增减材交替工艺策略的层间作用对成形试样表面质量和力学性能的影响机理。对增材和减材工艺参数进行优化，确定优化后的参数为激光扫描间距2.5 mm、刀具主轴转速3600 r/min、刀具进给速度3 mm/s、铣削深度0.3 mm和铣削宽度3 mm，并采用该优化参数在不同工艺策略下成形了316L不锈钢试样。结果显示：先增材后减材和增减材交替成形试样的力学性能相当，增减材交替工艺策略可以实现内部结构复杂的316L不锈钢零件的成形，对零件成形性能没有消极影响。最后采用增减材交替工艺策略进行了阀门模具的制造，验证了增减材复合制造工艺的工业应用可行性。     

送粉式激光增材制造TC4钛合金熔覆层组织及电化学腐蚀行为的研究

采用激光增材制造(LDM)技术在TC4钛合金基体表面制备了TC4钛合金熔覆层,研究了不同扫描速率下制备的熔覆层的组织、显微硬度以及其在H_2SO_4溶液中的抗电化学腐蚀性能。结果表明:熔覆层的主要物相为α-Ti,且在β晶界附近生成了细针状α′马氏体,组织呈正交状网篮结构;随着扫描速率增大,熔覆层的平均显微硬度先增大后减小,腐蚀电流密度先降低后升高,电荷转移电阻先增大后减小,即其耐蚀性先增强后减弱;当扫描速率为10 mm/s时,熔覆层具有最大的平均显微硬度(390 HV)、最小的腐蚀电流密度(1.2337μA·cm^-2)、最大的电荷转移电阻(11500Ω·cm^-2),此时的熔覆层具有较好的抗电化学腐蚀性能。     

304L/316异种钢薄板激光增材焊接工艺及性能研究

为了获得304L/316异种钢薄板激光焊接的最优工艺参数,采用灰色关联度分析法,通过Taguchi L9正交试验方案,以激光功率、扫描速度、离焦量为主要影响因素,对接头形貌、几何变形以及拉伸力学性能进行实验研究。结果发现：激光焊接薄板的角变形随离焦量的增加而减小;弯曲变形随激光功率的增加而增大;抗拉强度随离焦量的增加呈现先增后减的规律。当激光功率为1500 W、扫描速度为15 mm/s、离焦量为+2 mm时,304L/316异种钢焊接薄板抗拉性能最强且变形最小,接头强度高于母材,填料粉末熔化后沿着对接缝隙渗到板材底部,形成包含细小柱状晶和少量等轴晶的金属填料接头,最终填料粉末与母材形成了有效的冶金结合。