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。     

超声振动强化搅拌摩擦焊技术的研究进展

针对笔者团队前期发明的超声振动强化搅拌摩擦焊(Ultrasonic Vibration enhanced FSW,UVeFSW)新工艺,从设备研发(超声振动装置的设计、超声振动参数的表征)、工艺试验(焊缝成形、微观组织、显微硬度、拉伸性能、疲劳性能)与机理探索(焊接载荷、焊接热循环、材料流动和组织演变)3方面,综述了UVeFSW新工艺的研究进展。结果表明,通过直接向搅拌头前方的待焊接工件上施加超声振动能场,改善焊缝成形,减少或消除焊接缺陷,拓宽焊接工艺参数窗口以及提高接头性能。     

熔体自生陶瓷激光直接能量沉积增材制造研究进展EI北大核心CSCD

熔体自生陶瓷是一种原料经熔化凝固获得组织组成的新型陶瓷材料,原子共用的洁净高强度结合界面使其具有接近熔点的优异高温力学性能及组织稳定性,在未来高推重比航空发动机及重型燃气轮机热端部件领域展现了巨大的应用潜力。激光直接能量沉积技术能够有效克服熔体自生陶瓷传统制备方法在周期、能耗及结构复杂度等方面的局限,为直接增材制造熔体自生陶瓷构件提供了新的解决方案,成为国内外研究热点。本文在介绍激光直接能量沉积技术工艺原理的基础上,总结了国内外利用该技术制备的不同熔体自生陶瓷的微观组织特征及其主要力学性能,并综合论述了目前针对微观组织及开裂行为调控所开展的主要研究。基于现有研究进展,对该领域的发展趋势和需要进一步解决的关键科学问题进行了探讨,指出抑制开裂与改善组织性能是目前面临的首要问题,材料和新工艺的发展是突破现有瓶颈、推动熔体自生陶瓷激光直接能量沉积技术发展和应用的关键。     

增材制造316L不锈钢应力腐蚀研究进展EI北大核心

应力腐蚀开裂是不锈钢零部件失效的主要形式之一,是材料力学和腐蚀电化学交叉领域的重要研究方向。与传统工艺制备相比,增材制造技术制备的316L不锈钢内部微观组织复杂,存在增材制造工艺引起的气孔、未熔合区等固有缺陷,导致其应力腐蚀行为更为复杂。本文基于国内外关于增材制造316L不锈钢的研究实例,综述了应力腐蚀行为特征及主控机制,包括氢致开裂和阳极溶解两种应力腐蚀机理、穿晶断裂和沿晶解理两种作用形式,并归纳了孪晶、异种晶相交界处、气孔及未熔合处、元素偏析等组织结构缺陷等对增材制造316L不锈钢应力腐蚀的影响。针对电化学噪声、高分辨中子衍射、三维形貌表征等三种原位测试方法在不锈钢应力腐蚀行为研究方面的现状和技术优势进行了总结。最后提出了高温辐照等严苛环境下的应力腐蚀行为特征研究,以及裂纹尖端应力分配模型及重构准则等增材制造不锈钢应力腐蚀未来的研究方向。     

工具形状及工艺过程对搅拌摩擦增材成形及缺陷的影响

采用2mm厚的2195-T8铝锂合金作为增材板条,利用5种不同形状的搅拌工具进行搅拌摩擦增材工艺实验。利用金相观察和硬度测试的分析方法,重点探讨搅拌工具形状与工艺过程对增材成形、界面缺陷及硬度分布的影响。结果表明:圆柱状和三角平面圆台状搅拌针下增材界面上下材料无明显混合,偏心圆柱状和三凹圆弧槽状搅拌针有利于增材界面上下材料混合及减小界面钩状缺陷;增材前进侧界面形成致密无缺陷冶金连接,而后退侧界面材料混合不充分,钩状缺陷易伸入焊核区,且弱连接缺陷起源于此。四层增材中,相邻两层焊接方向相反的增材工艺使除顶层增材外其他增材两侧钩状缺陷向焊核区外侧弯曲,弱连接缺陷得到改善;顶层增材后退侧钩状缺陷伸入焊核区。增材焊核区有明显软化现象,但不同增材工艺下焊核区硬度分布均匀,表明搅拌摩擦增材制造可获得性能均匀的增材;相比于单道焊接工艺,来回双道焊接工艺使单层增材焊核区进一步软化;四层增材中,越靠近顶部的增材,其焊核区平均硬度越大。     

工艺参数对铝合金搅拌摩擦增材制造成形的影响

采用4mm厚的5A03-H铝合金板材作为基材,利用无倾角成形工具,进行搅拌摩擦增材制造工艺实验,研究工艺参数对增材区成形的影响。结果表明:随着行进速度提高,单道增材宽度、界面迁移高度和迁移宽度值均减小。当行进速度为60mm/min时,界面迁移量较小,单道增材宽度较大。增材间距大时,会有两道次间的未结合界面和迁移界面缺陷;随间距减小,未结合界面逐渐转变成迁移界面;当间距达到某个值时,迁移界面消失。为了得到成形良好的增材区,必须优化增材加工的间距。逆向增材与同向增材相比,能有效地抑制并消除向增材区中心迁移的界面,因此可获得较大的有效增材宽度。     

铝合金搅拌摩擦焊超声检测研究进展EI北大核心CSCD

铝合金搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)焊接参数选择不当将会产生隧道孔、未焊透(lack of penetration, LOP)和吻接等取向复杂、细微紧贴的缺陷。首先,本文简述了FSW焊缝与典型缺陷特征,总结了超声检测时面临纵向分辨力低、缺陷表征不完整、材料与缺陷声阻抗接近和灵敏度不足等难点。随后,从常规超声、超声衍射时差法(time-of-flight diffraction, TOFD)、相控阵超声检测技术和其他超声检测技术等方面综述了现有的铝合金FSW超声检测研究工作。最后,结合超声信号处理方法和机器学习方法对研究前景进行展望:可以通过分析和提取信号特征,进一步提升超声检测分辨力和信噪比,并实现取向复杂缺陷和细微紧贴缺陷的精准辨识与定量。     

电子束熔丝增材制造研究进展及展望

增材制造技术可以实现复杂三维结构件的快速制造,大幅度提高生产效率、减少材料损耗、降低生产成本.相比于电弧和激光增材制造技术,电子束熔丝增材制造凭借其制造成本低、加工效率高、材料利用率高等特点,逐渐成为增材制造领域的研究热点.从成形精度与缺陷调控、组织与性能特点、成形及其控制机理3个方面综合分析了国内外关于电子束熔丝增材...     

铜及其合金表面涂层技术与增材制造技术研究进展

铜及其合金具有优良的耐腐蚀、导电导热性能及机械加工性能,广泛应用于电气、轻工、机械制造等领域.随着生产条件的不断优化,为同时满足不同的应用需求,人们期望获得综合性能更加优良或某一性能特别突出的零部件,但传统制造加工方法工艺复杂,且生产过程中材料利用率较低,存在很大的局限性.为实现零件表面合金化,改善零件表面性能缺陷,表面涂层技术被开发并广泛应用;为实现复杂结构零件的成形,人们开发了增材制造技术.铜合金增材制造技术通过逐层累积的方法,可以高效快速地制造出各类精密零部件,不仅使合金材料利用率高,还能够满足各种结构复杂零部件的成形需求,是当下铜合金应用的研究热点.近年来,国内外研究人员利用铜合金涂层改善零件表面性能的主要技术有沉积、热喷涂、冷喷涂等,对铜合金增材制造技术的研究主要集中在激光增材制造技术,从工艺优化到组织性能分析,都对未来的研究提供了很大的理论依据,但对电子束增材、电弧增材等其他增材制造技术的关注比较少,对于铜合金增材制造过程中成分均匀化的热处理工艺及增材后具备优良的导电、导热、致密度等问题有待进一步研究.本文归纳了铜合金表面涂层以及增材制造技术的工艺原理及研究现状,通过对比各类不同增材制造方法,分析了各增材制造技术工艺参数对成形件微观组织及力学性能的影响,对各技术所获得成形件的优缺点进行总结,并对未来铜合金增材制造重点关注方向进行展望,为制备性能更优良的铜合金成形件以及工艺应用奠定了基础.     

Issues and strategies in composite fabrication via friction stir processing: A review

Friction stir processing (FSP) is an expeditiously emerging novel technique involving exterior layer modification, which enables one to successfully fabricate surface composites (SCs) as well as bulk composites of the metal matrix. SCs constitute an exclusive class of composites which exhibit improved surface properties while retaining the bulk properties unaltered. During initiative years, FSP was employed in development of SCs of light metal alloys like aluminum. But, nowadays, it has gained a shining role in the field of SC fabrication of various nonferrous alloys like aluminum, magnesium, copper, and even ferrous metals like steel etc. This article reviews the current trends, various issues, and strategies used to enhance the efficiency of the fabrication process of SCs. Factors involved in the process of SC fabrication are discussed and classified with a new approach. Also, variation of microstructural and mechanical characteristics with these factors is reviewed. In addition to a brief presentation on the interaction between various inputs and their effects on properties, a summary of literature on SC fabrication for different metals is tabulated with prominent results. Subsequently, shortfalls and future perspectives of FSP on SC fabrication domain are discussed.     

率相关材料在搅拌摩擦焊接过程中的行为分析

为研究金属粘性效应时的搅拌摩擦焊接材料流动行为,采用率相关本构描述搅拌摩擦焊接过程中的材料行为,并与非率相关材料模型的计算结果进行了对比.结果显示,由于考虑了金属的粘性效应.用率相关材料模型模拟搅拌摩擦焊接过程能更好地反映材料流动行为的本质.在搅拌摩擦焊接中,材料沿搅拌头切向方向的运动构成了搅拌摩擦焊接构件材料流动的主要形式.焊接构件-搅拌头接触面上的接触压力在搅拌头前方较大,在搅拌头后方较小,这一规律在率相关模型中更为明显.搅拌头前方材料在搅拌头的挤压之下向远离搅拌头的方向运动,而搅拌头后方的材料要填充由于搅拌头的移动而留下的空间,这一过程是保证搅拌摩擦焊接顺利完成的一个主要因素.因此,用率相关模型模拟搅拌摩擦焊接过程中的材料力学行为更为接近真实情况.     

Modeling of friction stir welding process for tools design

A three-dimensional friction stir welding (FSW) process model has been developed based on fluid mechanics. The material transport in the welding process has been regarded as a laminar, viscous, and non-Newtonian liquid that flows past a rotating pin. A criterion to divide the weld zone has been given on the basis of cooperation of velocity field and viscosity field. That is, the η₀-easy-flow zone that existed near the tool pin corresponded to the weld nugget zone; the area between the η₀-easy-flow zone and η₁-viscosity band is corresponded to the thermal-mechanical affected zone (TMAZ). The model gives some useful information to improve the understanding of material flow in FSW through the simulation result of velocity distribution. In order to appraise the friction stir pin design, three kinds of pin geometry, one is column pin, the second is taper pin, and the last one is screw threaded taper pin, were used in the model. The pin geometry seriously affected the simulation result of velocity distribution in the η₀-easy-flow zone. The velocity distribution in the η₀-easy-flow zone can be considered as the criterion of optimizing friction stir tool design. This study will benefit to direct the friction stir tool design.     

轴肩结构对搅拌摩擦焊过程中材料流动的影响

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌头的实际结构形式,利用ANSYS FLUENT软件对搅拌摩擦焊过程中材料的流动行为进行了数值分析,研究了轴肩结构分别为平面、内凹与同心圆时的材料流动规律.研究表明,当轴肩结构发生变化时,焊件表面及内部的材料流动趋势基本相同;靠近焊件表面的材料流动速度在轴肩结构为同心圆时最大,在轴肩结构为平面时最小.从避免搅拌摩擦焊根部缺陷的角度看,同心圆轴肩的搅拌头优于内凹轴肩,这一规律得到了试验证实.     

搅拌摩擦加工对Al-Si-Fe合金组织和性能的影响

为改善再生铝中富铁相形态,提高其合金性能,本文采用搅拌摩擦加工对Al-Si-Fe合金进行了研究。利用金相显微镜、扫描电镜、万能拉伸试验机、显微硬度计及图形分析仪等研究了加工速度对Al-Si-Fe合金组织和性能的影响。研究结果表明:搅拌摩擦加工后,第二相形态由针状、棒状向细小且均匀分布的球状、粒状和短棒状转变,前进侧热机械影响区组织得到一定程度的细化且具有明显的取向,而返回侧热机械影响区的组织则保持铸态形貌特征的组成。加工中心区的富铁相和共晶硅平均长度较基材分别降低了86.5%、37.4%,而圆整度则分别提高了7.8倍和2.1倍以上,富铁相细化效果优于共晶硅;随着加工速度的提高,富铁相的平均长度逐渐增大,而圆整度则逐渐降低;但加工速度对共晶硅的平均长度影响较小,但圆整度逐渐降低。加工区的抗拉强度、屈服强度大幅降低,最高降幅达55.4%,而伸长率最大可提高6.8倍。随着加工速度的提高,其抗拉强度、屈服强度有所提高,伸长率则逐渐降低,最大降幅达到19.3%。搅拌摩擦加工后,Al-Si-Fe合金晶粒细化,材料性能提升。     

铝/镀锌钢搅拌摩擦铆焊接头组织与力学性能

为实现铝钢之间的优质连接,采用搅拌摩擦铆焊新方法对6061铝合金和DP600镀锌钢进行搭接点焊,利用扫描电子显微镜、能谱仪及拉伸试验对接头的微观组织及力学性能进行了研究.结果表明:接头成形平整美观,中心没有匙孔;接头包含铆接区和扩散区,其中在铆接区铝合金以铝柱的形式嵌入到钢板的圆孔中,形成了一个"铝铆钉",底部有富铝的α固溶体偏聚,圆孔四周形成扩散区,铝和钢形成了冶金结合,依靠金属间化合物Fe Al3连接在一起;接头有3种断裂形式,在最佳工艺参数下接头的抗剪力达到8.2 k N;铝柱上断口的微观形貌是被拉长的韧窝,扩散区的断口由灰色基体和白色颗粒组成.