选择性激光熔化成形TC4钛合金开裂行为及其机理研究

裂纹是选择性激光熔化(Selective laser melting, SLM)成形Ti6-Al-4V(TC4)钛合金过程中最常见、破坏性最大的一种缺陷。采用逐行交替的扫描策略制备TC4钛合金试样,利用扫描电子显微镜及X射线能谱分析等检测方法,研究SLM成形TC4钛合金过程中裂纹的开裂行为及其形成机理。结果表明,SLM成形TC4钛合金所产生的裂纹为冷裂纹,具有典型的穿晶开裂特征。采用逐行交替扫描策略成形的TC4钛合金,其组织为网篮状马氏体组织。SLM成形过程中高温度梯度导致制件内部存在较高的残余应力,抗裂强度较差的马氏体组织在残余应力的作用下而产生裂纹,粗大的裂纹最终分解为较小的裂纹而终止扩展。进一步分析认为,通过调整成形工艺参数,可以改变制件组织,同时削弱残余应力,从而达到减弱或消除裂纹的目的。     

热等静压温度对激光选区熔化成形GH3536裂纹和组织性能的影响

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术制备了GH3536镍基高温合金,研究了不同热等静压(Hot isostatic pressing,HIP)温度对SLM成形GH3536合金裂纹和组织性能的影响。利用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)、电子背散射衍射(Electron backscatter diffraction,EBSD)、电子探针显微分析仪(Electron probe microanalyzer,EPMA)等方式表征了GH3536相组成和组织演变,利用高温持久性能试验机测试合金室温和高温拉伸性能。结果表明：经HIP后,SLM成形GH3536合金相组成保持不变,均为γ相,但晶格常数降低,且随着HIP温度的升高而降低。SLM态合金中存在10～100μm的微裂纹和气孔缺陷,微裂纹主要存在于熔池边界。经HIP后,合金中微裂纹完全消除,但仍存在少量孔洞。GH3536合金经高温高压处理后,晶粒尺寸增大,抗拉强度有所降低。其中SLM态试样室温抗拉强度...     

前混合水射流喷丸强化表面力学特性及疲劳寿命试验

为获得前混合水射流喷丸强化增益效果,研究前混合水射流喷丸对2A 11铝合金和45钢的表面显微硬度、表面残余压应力和疲劳寿命的影响.采用显微硬度计和X射线应力分析仪分别测定喷丸表面显微硬度和表面残余应力,利用扫描电镜观察疲劳断口形貌,获得喷丸表面显微硬度和表面残余压应力随喷丸压力、扫描速度及靶距的变化规律,指出射流喷丸可以大幅度地提高2A11铝合金和45钢的疲劳寿命,当2A11铝合金和45钢的应力振幅分别为155.7 MPa和282MPa时,喷丸试样疲劳寿命比未喷丸试样疲劳寿命分别提高25.31倍和18.56倍,且未喷丸试样疲劳裂纹萌生于试样表面,喷丸试样疲劳裂纹有的萌生于试样表面,有的萌生于试样内部,当疲劳源在试样内部时,裂纹在夹杂物处萌生.因此,前混合水射流喷丸是一种提高金属零构件疲劳寿命的有效方法.     

短波长X射线衍射法测试纳米铝块体的内部残余应力

利用自主研发的SWXRD-1000型短波长X射线衍射仪对去应力热处理前后纳米铝块体的内部残余应力进行了测试;为研究残余应力沿试样厚度方向的分布,采用Xstress-3000型X射线应力仪对未热处理的纳米铝块体表面残余应力进行了测试。结果表明:纳米铝块体内部的晶粒取向分布均匀;随着热处理温度升高,块体中心处的残余应力呈下降的趋势,中心处的径向残余应力由未热处理时的113MPa降至4MPa,切向残余应力由未热处理时的91 MPa降至38 MPa;未热处理试样厚度方向上的残余应力分布整体呈为外压内拉,直径方向上的内部残余应力呈现出中间高两侧低的分布趋势,且中心附近为残余拉应力。     

扫描路径对选择性激光熔化成形质量的影响

基于选择性激光熔化技术,研究了不同扫描路径对Ti6Al4V成形试样的表面粗糙度、残余应力、翘曲变形的影响。结果表明:无论是长边扫描还是短边扫描,上表面的粗糙度值要明显小于侧表面的粗糙度值,和扫描方向相平行的侧表面的粗糙度值要小于和扫描方向相垂直的侧表面的粗糙度值。采取短边扫描的成形件和基板之间的残余应力值更小,且成形件和基板的最大翘曲变形相较于长边扫描减小了约35%。在SLM成形前,采取对基板进行适当预热的方式可以减小成形过程中成形件和基板之间的温度梯度,从而达到减小残余应力的目的。采取短边扫描且基板预热温度为300℃的成形件达到了99.4%的近全致密,采取短边扫描的成形件的致密度要高于采取长边扫描的成形件的致密度。实验结果表明,采取短边扫描的SLM成形件的成形质量更好。     

激光选区熔化近α钛合金开裂机理及抑制研究

研究了近α钛合金激光选区熔化(SLM)成形开裂机理及抑制工艺,利用扫描电子显微镜等研究了试件裂纹形貌及其扩展方向、裂纹源等问题。研究结果表明:SLM成形过程中在试样侧壁形成凹凸不平的缺口及Ti3O、TiO、TiC等硬脆化合物;在残余应力作用下,裂纹起源于侧壁缺口,在沉积层上沿硬脆化合物扩展。当工艺参数为激光功率140W,扫描速度450mm/s,铺粉层厚0.03mm,扫描间距0.07mm,SLM成形温度350℃,保温1h缓冷至室温时,可有效抑制试件开裂。     

选区激光熔化成形316L不锈钢零件中的缺陷及形成机理研究进展

选区激光熔化(SLM)是目前应用最广泛的金属增材制造技术之一。SLM成形零件中不可避免会产生许多缺陷，包括孔隙、表层粉末球化、裂纹等；缺陷的形成不仅会影响成形过程的顺利进行，也会破坏零件内部完整性，降低零件的服役性能。对SLM成形316L不锈钢零件中孔隙、表层粉末球化、裂纹3种缺陷的主要特征进行了综述，对这3种缺陷的形成机理和影响因素进行了总结，提出了控制缺陷的主要措施，最后给出了今后的研究方向。     

选区激光熔化成形Inconel625合金的显微组织及力学性能

采用雾化方法制备了Inconel 625合金粉,利用选区激光熔化成形技术将该合金粉直接成形制备了金相、拉伸和冲击试样,研究了其表面残余应力、显微组织及退火前后的力学性能。结果表明:试样表面有少量微裂纹,内部存在少量碳氧夹杂物颗粒,显微组织均匀致密,由单一奥氏体相组成;退火前试样的表面残余拉应力为398 MPa,高于经1 140℃×2h退火处理后试样的(242 MPa),其平均屈服强度、抗拉强度、冲击功、断后伸长率和断面收缩率分别为743 MPa,1 043 MPa,139J,31.4%和49.6%,而退火处理后试样的屈服强度、抗拉强度降低,冲击功、伸长率和断面收缩率有所增加;退火前试样的拉伸和冲击断口均呈韧性断裂特征。     

热处理对激光选区熔化GH3536合金组织演变规律的影响研究

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造技术制备了GH3536镍基高温合金,研究了直接时效、固溶及热等静压处理对SLM合金组织和裂纹的影响规律,利用XRD、SEM、EPMA、EBSD、TEM等方法表征相组成和组织演变。结果表明:SLM态组成相为γ相,经固溶和时效热处理后,晶界析出针棒状和片层状相,EPMA结果表明这些相富含C、Cr、Mo,主要组成为Laves相和碳化物相;SLM态试样经固溶热处理后,合金元素扩散加强,熔池边界逐渐消失;SLM态平均晶粒尺寸13.18μm,经高温热处理后,合金晶粒发生再结晶,平均晶粒尺寸减小,经固溶处理后平均晶粒尺寸为12.01μm,而经热等静压处理(1050℃/3h/120MPa)后平均晶粒尺寸为10.87μm。SLM态试样中存在10～100μm的微裂纹,裂纹起源于熔池内部并贯穿熔化道;经直接时效和固溶热处理后微裂纹未明显改善,而热等静压则可完全消除微裂纹。     

激光冲击强化对TiAl合金组织和性能的影响

为研究激光冲击强化对TiAl合金组织和性能的影响,利用波长为1 064nm、脉宽为20ns、单脉冲能量为0～22J的Nd:YAG激光器对TiAl合金试件进行了实验研究。采用显微硬度计、表面粗糙度仪和扫描电镜分别测量了激光冲击强化前后的表面显微硬度、粗糙度和表面微观形貌,利用X射线应力分析仪测量了激光冲击强化表面残余应力和晶面极性,并分析了其高温稳定性。实验结果表明:当单脉冲能量增加到9J时,表面显微硬度增加了33.4%,粗糙度由0.042μm增大到了0.285μm,表面残余压应力由20MPa增加到了297MPa,表面微观形貌出现了凸凹不平,局部纹理和层状微结构。将9J激光冲击强化后的试件在650℃下保温4h后,残余压应力值从297MPa降到230MPa,显微硬度值从377HV0.2降到345HV0.2,(002)晶面取向有向中心移回的趋势。得到的数据显示,激光冲击强化能够极大地改善TiAl合金的组织和性能,且具有一定的高温稳定性。     

热处理温度对SLM成形316L不锈钢组织性能影响研究

使用选区激光熔化(SLM)技术制备316L不锈钢试样以及残余应力样件,采用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM,配备电子背散射衍射探头EBSD）、显微硬度计等研究不同热处理工艺对SLM成形316L的显微组织、显微硬度、力学性能以及残余应力的影响,得到最优热处理工艺。结果表明SLM制备制件组织致密,在最优热处理1 000℃、保温2 h制度下,试样的性能稳定,显微硬度及拉伸性能各向异性差异小,残余应力小。此研究为SLM成形316L不锈钢的力学性能优化及显微组织调控提供了强有力的基础。     

激光熔覆成形金属零件中微裂纹的减少和消除

激光熔覆成形技术是近年来发展起来的一种新的快速原型制造技术,该技术将快速原型制造技术和激光熔覆表面强化技术相结合,既保留了快速原型制造技术中能够快速制造复杂零件的特点,又具有成形零件性能优良、组织结构致密的优点,是快速原型制造技术中一个重要的发展方向.激光熔覆成形技术的一个亟待解决的问题是成形零件中的微裂纹问题,通过理论分析激光熔覆成形技术和激光熔覆表面强化技术之间的区别,找到了减少和消除激光熔覆成形金属零件中产生微裂纹的一个突破点,这就是激光熔覆成形中的基体材料.对多种基体材料及其预热温度和多种合金粉末材料进行了试验研究,重点研究基体材料对激光熔覆成形零件过程中微裂纹的影响,获得了激光熔覆成形的金属试样.通过理论分析和试验研究,得出以下结论在适当选择基体材料及其预热温度和合金粉末的条件下,完全能够减少和消除激光熔覆成形过程中产生的微裂纹.     

体能量密度对选区激光熔化成形Hastelloy X合金组织及性能的影响

采用选区激光熔化(SLM)技术制备了Hastelloy X合金,研究了体能量密度(18.3,29.8,30.3,44.9,46.3,50.9,58.8,61.7,88.4J·mm~(-3))对合金微观形貌、显微组织、密度和硬度的影响。结果表明:SLM成形Hastelloy X合金纵截面形貌呈鱼鳞状,在熔池区域存在等轴晶、树枝晶及跨越多个沉积层的柱状晶,晶粒宽度为0.61.2μm;体能量密度在18.346.3J·mm~(-3)时,合金内部存在孔隙缺陷,随着体能量密度的继续增加,孔隙逐渐减少并消失,同时微裂纹开始形成并逐渐增多;合金的密度和硬度随体能量密度增加先增加后趋于稳定;当体能量密度为50.9J·mm~(-3)时,合金中的孔隙和微裂纹最少,成形效果最好。     

激光选区熔化增材与机加工复合制造AISI 420不锈钢:表面粗糙度与残余应力演变规律研究

激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造技术具备极端复杂构件制造能力,为高性能构件的材料结构一体化制造提供了技术支撑。然而,在激光与材料交互作用过程中,熔池稳定性,熔池间界面结合性,熔体与基体的润湿性等因素直接影响构件微观组织、表面精度与粗糙度。其中,SLM成形的金属表面粗糙度较高是制约其发展的重要因素,SLM技术与机加工复合是发展趋势之一。因此,采用机加工的方法对SLM样品进行表面处理,分别研究了机加工对不同致密度金属,不同铣削深度及不同铣削面对金属试样粗糙度及残余应力的影响规律。其中,试样粗糙度经过铣削后从约10μm降低到1μm以下,极大改善了制件的表面质量。同时,通过铣削使试样水平方向的残余应力由压应力变为拉应力并大幅降低。     

选区激光熔化Ti-6Al-4V合金在高应变速率下力学性能的有限元模拟

采用选区激光熔化(SLM)技术制备Ti-6Al-4V合金,经真空退火热处理和热等静压处理后,研究了合金准静态和高应变速率(500~3000s^-1)下的力学性能;对双线性材料模型进行标定,将所得到的材料参数应用于霍普金森压缩试验的有限元模拟中,并将模拟结果与试验结果进行对比。结果表明:经真空退火和热等静压处理后,SLM成形合金的组织为α相和β相,呈网篮组织形貌;与准静态条件下的相比,在高应变速率下SLM成形合金的断后伸长率得到明显提高;模拟得到的归一化真应力-真应变曲线与试验得到的相吻合,平均相对误差为2.5%,其材料参数可用于后续的瞬态冲击仿真分析中。     

TiAl 合金高周弯曲疲劳研究

应用压电超声疲劳试验技术,开发20 kHz频率下的三点弯曲疲劳试验系统,完成室温下TiAl合金超高周弯曲疲劳试验.结果表明,在疲劳循环大于107周时,试样仍会发生疲劳断裂.S-N曲线显示,当应力比R=0.7时,在107周后会出现疲劳极限,表面粗糙度对疲劳性能没有明显影响.当R=0.1 及R=0.5时,在105～1010周之间疲劳强度随循环次数的增加连续下降,S-N曲线未出现水平.光学显微观察发现,TiAl合金由α2-Ti3Al 和γ-TiAl组成(γ α2钛铝合金),具有全片层状显微结构.疲劳破坏主要起源于试件表面承受应力最大处,层状晶体内层间裂纹萌生是 TiAl合金主要的裂纹萌生方式,疲劳裂纹主要以穿晶方式扩展.在超高周循环条件下, 疲劳裂纹也会从试样近表层处的铸造缩孔萌生.     

宽带激光熔覆高硬度火焰喷涂层组织和裂纹行为

对镍基合金火焰喷涂层进行宽带激光熔覆试验,分析熔覆层组织、物相组成和硬度分布规律以及工艺参数对组织、结合强度和硬度的影响。激光熔覆过程骤冷骤热的特点使得熔覆层内存在较高的拉应力,同时,由于激光熔覆镍基合金火焰喷涂层主要由g (Fe, Ni) 固溶体和弥散分布的高硬度脆性碳化物相(Ni, B) 和(Cr, Si) 相组成,熔覆层强度和硬度显著提高而延性降低,在凝固过程残余内应力的作用下极易开裂,熔覆层裂纹为低延性穿晶脆性冷裂纹。基体的预热和熔覆后保温缓冷可有效降低温度梯度,释放残余内应力,当预热温度为300 ℃时,熔覆层裂纹消失。     

Ti_2AlNb粉末与Ti/Al纳米叠层箔带混合烧结高温微叠层材料的微观结构

为了探索研制一种工作温度700~750℃,而且室温塑性较好的钛基高温合金,使用Ti/Al纳米叠层箔带和Ti_2AlNb合金粉末作为原料,在1 473 K,30 MPa,1.5 h的热压条件下直接混合烧结,制备出新型钛铝系金属间化合物高温微叠层材料(TiAl+Ti_2AlNb)样品,其中,Ti/Al纳米叠层箔带在热压烧结过程中的放热反应促进了样品烧结致密化。采用X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)和能谱仪(Energy dispersive spectroscopy,EDS)研究烧结产物相组成及显微结构的影响,并测试微区的显微硬度。结果表明,不同混合方式配比热压烧结体的相组成结构比较相似,烧结体内部主要形成了组织渐变的Ti_2AlNb/Ti_2Al(Nb)/TiAl显微结构,并且通过XRD也检测到了Ti_3Al相。破碎的Ti/Al纳米叠层材料和Ti_2AlNb合金粉末在热压烧结后,以扩散反应形成的Ti∶Al∶Nb大约为1∶1∶1的TiAl(Nb)相,其硬度最高(605.85 HV),由Ti/Al纳米叠层箔带生成并保留下来的TiAl相,其硬度最低(251.11 HV)。     

裂纹柔度法测喷丸残余应力的研究

本文利用裂纹柔度法检测喷丸45钢板的残余应力大小及分布,并将其检测结果与X射线法测得的结果进行比较。试验发现,二者具有相近的分布趋势,硬化层深分别为900μm和820μm,最大残余压应力分别在近表层300μm处约471.4MPa和在近表层120μm处约446.4MPa,即裂纹柔度法可用于喷丸板类构件内部残余应力的测定,且结果准确可靠。     

GH742合金激光冲击强化后的表面残余应力

采用X射线衍射法对GH742合金激光冲击强化后的表面残余应力进行了测试,采用云纹干涉结合盲孔法对残余应力随深度的分布进行了测试。结果表明:GH742合金经激光单点冲击后,表面残余压应力最高可达1 180MPa,且残余压应力层深度达到1.2mm;50%光斑搭接率强化后的表面残余压应力约为1 100MPa。