激光熔化沉积AlSi10Mg温度场对显微组织性能的影响

铝合金激光吸收率低、导热率高,其激光熔化沉积（LMD）显微组织性能受温度场影响大。为分析环形束LMD铝合金熔池温度场及其影响,优化成形质量及成形件性能,采用送气保护式LMD技术,进行了AlSi10Mg铝合金成形实验,系统分析了熔池温度场的形态及其变化,以及温度场对成形质量、孔隙率、显微组织性能的影响机理。结果表明:环形束LMD铝合金熔池温度场总体形态呈开口向扫描方向的“半月牙”状,随着激光功率的增大,温度场形态愈发尖锐,其高温率、温度梯度和平均温度也相应增大。温度场平均温度的提升可增加激光吸收率,粗化显微组织,减小显微硬度,温度场显著影响成形件孔隙率从而改变拉伸性能。最终在平均温度为857.7 ℃时降低孔隙率至2.1%,得到抗拉强度为305.6 MPa,延伸率为5.7%,高出铸件52.5%,为LMD铝合金温度场及显微组织性能控制提供了理论指导。     

激光金属沉积成形基板预热的研究

为了降低激光金属沉积成形过程中试样和基板间的温度梯度,减小和抑制成形过程的热应力,提高试样的成形质量,提出并设计了一种用于激光金属沉积成形的基板预热系统。该系统由基板预热器、智能比例微分积分控制器以及计算机串口温度采集反馈控制等3部分组成。利用自行研制的激光金属沉积成形设备和基板预热系统进行了成形实验。实验结果表明,基板预热可以改善试样的成形质量,降低成形过程的热应力。     

AlSi10Mg铝合金选区激光熔化成形缺陷控制和表面质量优化

铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好等特点,很好地满足航天飞行器轻量化需求。激光选区熔化技术(SLM)成形的铝合金零件综合性能良好,在航天领域应用广泛,但存在成形过程中缺陷不好控制、成形件表面质量较差、后处理工序烦琐等问题。为此,选取AlSi10Mg铝合金,针对SLM成形AlSi10Mg铝合金缺陷消除进行实体工艺优化研究,获得缺陷最少的优化工艺参数,并进一步研究表面粗糙度优化方法。结果表明,通过优化工艺参数(主要包括扫描功率、扫描速度、扫描间距),可以获得较低的孔隙率(9.2%)和较优的内部成形质量;成形件表面质量主要影响因素有表皮扫描功率、扫描速度、扫描间距等,适当提高扫描功率可以获得较好的表面质量。     

激光选区熔化AlSi10Mg铝合金激光熔化沉积连接区密集气孔缺陷特性以及缺陷消除方法

采用激光熔化沉积（LMD）工艺对激光选区熔化（SLM）成型的AlSi10Mg合金进行连接，对连接区进行X射线检测，检测结果显示连接区存在密集气孔。分析气孔形态、分布位置及其对试样力学性能的影响，并探寻消除该缺陷的方法。结果表明：密集气孔主要分布在基材与连接区交界的熔合线处，孔径为0～20μm，气孔在X射线底片上形成了水印现象；密集气孔在熔合线处的聚集导致该位置处的硬度远低于连接区和基材，从而影响了该处的力学性能；预热能够有效减轻该缺陷，使密集气孔均匀分散到整个连接区中，消除水印现象；预热试样的力学性能相比未预热试样显著提高，熔合线处的显微硬度为90.8 HV，抗拉强度为287 MPa（达到了基材的76.5%），较未预热试样分别提高了45%和19%；预热前后拉伸试样均为脆性断裂，预热提高了试样的延展性，延伸率达到5.0%。     

采用区域选择激光熔化法制造铝合金模型

对采用区域选择激光熔化(SLM)技术制造铝合金(如AlSi25,AlSi10Mg,AlMgSi0.5和AlMg3粉末)模型进行了工艺研究。研究表明不同的铝合金粉末具有不同的加工阈值。当激光功率超过粉末的加工阈值时,粉末与基体之间形成致密的冶金结合,为获得致密度为100%的铝合金模型提供了可能性。不同铝合金模型的致密度随着激光功率和扫描速度的变化而变化,但是不同铝合金对孔洞以及裂纹形成的敏感性不同,这主要是由铝合金粉末的不同冶金特性导致的。经过工艺摸索,采用优化参数制造AlSi10Mg拉伸试样,经测试,其机械性能超过了该合金铸造后经时效的拉伸试样性能。表明区域选择激光熔化技术是金属模型和零件直接制造的有效方法之一。     

GNPs含量对激光选区熔化成形GNPs/AlSi10Mg复合材料组织及强化机理的影响

激光选区熔化技术相比传统材料加工技术具有成形速度快且能够成形复杂零件的优势。采用球磨法制备了GNPs/AlSi10Mg复合粉末，采用激光选区熔化技术成形了石墨烯纳米片（GNPs）含量不同的GNPs/AlSi10Mg复合材料，GNPs的质量分数分别为0、0.1%、0.3%、0.5%。研究了不同GNPs含量对复合材料微观组织和力学性能的影响，揭示了GNPs强化AlSi10Mg的机理。结果表明：激光选区熔化成形的AlSi10Mg合金的择优取向为〈100〉；GNPs的添加不会改变GNPs/AlSi10Mg复合材料的择优取向，但会降低复合材料中大角度晶界的比例。不同含量的GNPs/AlSi10Mg复合材料的相组成均为α-Al相和共晶硅相；随着GNPs含量增加，复合材料的硬度呈增大趋势，最大为168 HV；随着GNPs含量增加，缺陷增加，复合材料的极限抗拉强度、屈服强度和延伸率由0.1%GNPs/AlSi10Mg的（417±4）MPa、（254±5）MPa和（8.4±0.14）%降低到0.5%GNPs/AlSi10Mg的（224±6）MPa、（150±3） MPa和（4.0±0.45）%；激光选区...     

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。     

激光粉末床熔融增材制造铝合金的室温和高温力学性能研究

激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融（LPBF）AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明：水平方式成形试样（拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向）具有更优的压缩性能,表现出更优异的抗压强度及屈服强度（分别为201.0 MPa与251.3 MPa）;在高温拉伸试验中,不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高（从100℃升至175℃）均呈下降趋势,而延伸率均逐渐升高,且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样（载荷垂直于试样铺粉方向）。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历10⁷循环周次的中值疲劳强度为151.25 MPa,疲劳寿命约为2.1×10⁵周次,疲劳裂纹扩展门槛值为0.981 MPa·m^1/2。     

激光熔化沉积参数对316L单道几何特征的影响

激光熔化沉积(lasermelting deposition,LMD)是一种先进的金属增材制造技术,具有成形速度快、无模具制造、多轴操作系统和多余粉末可有效回收等特点。但是沉积过程中会出现成形质量不良的现象,导致LMD零件致密度下降,疲劳性能降低。为了提高316L奥氏体不锈钢LMD零件的致密度与疲劳力学性能,针对LMD单道沉积工艺过程,开展实验研究分析不同工艺参数下对单道沉积几何特征的影响。本文使用316L奥氏体不锈钢粉末在激光熔化沉积设备上进行相应的工艺研究,探索了激光功率与扫描速度对单道沉积几何特征的影响。通过对工艺参数与各几何特征进行回归分析,建立了回归模型,并确立了工艺参数对几何特征的影响规律。该工作为后续316L激光熔化沉积零件疲劳实验试样的制备提供基础与参数指导。     

采用区域选择激光熔化技术直接制造铝合金零件

区域选择激光熔化技术(SLM)与选区烧结技术(SLS)相比其突出的特点在于SLM过程使用的金属粉末为单组元粉末材料以及该过程中金属粉末完全熔化。因而采用SLM技术生产的金属功能模型和零件致密度高，具有系列产品的组织结构和使用性能,为单件、小批量直接制造金属零件提供了可能。介绍了SLM技术的特点以及采用SLM技术加工铝合金粉末的特殊性,采用SLM工艺熔化金属在随后的结晶过程中易出现成球现象,优化激光加工参数以及在加工过程中通入惰性气体可以克服该问题。采用SLM技术加工了AlSi25和AlSi10Mg两种铝合金粉末,制备了样件和拉伸试样。微观分析显示:样件的横截面中均无孔隙和裂纹存在,组织细小,微观结构分为细晶区和搭接区,搭接区的结构明显长大,经拉伸测试,采用SLM技术生产的样件具有优于传统方法生产试样的综合机械性能。给出了采用SLM技术制造的铝合金功能模型。     

激光弯曲成形温度场的有限元数值模拟

激光成形技术是以激光为热源加热金属板料,依靠内应力使板料弯曲成形。研究激光成形过程中弯曲角与各影响参数之间的关系,了解板料内部温度场的分布规律是尤为重要的。本文应用有限元方法对不同热源形式、激光参数、板料尺寸及冷却条件下的三维瞬态温度场进行了数值模拟,分析了各因素对激光成形温度场的影响特性,为进一步的应力应变分析打下基础。     

切向气流作用下激光对薄铝板辐照效应的初步研究

采用实验测量与数值模拟相结合的方法研究了切向表面气流环境中激光对薄铝板的辐照效应。实验结果表明:相同速度的氮气流和空气流中,铝板温度曲线相似,说明对于铝这种材料而言,空气流的氧化烧蚀几乎不能进行。无切向气流时,辐照过程中相同时刻铝板的温升及铝板达到的最高温度都高于氮气流和空气流情形。三种环境中,铝板中心位移的变化趋势同温度的变化趋势相同,说明激光加热产生的热应力是铝板形变的主要原因,切向气流不起主导作用。利用有限元分析软件ANSYS数值模拟了铝板温度场及形变的演化过程,分析了激光功率分布和对流换热对结果的影响,数值模拟结果同实验符合地较好。研究结果表明:在较低激光功率密度条件下,切向气流主要通过对流换热对铝板起冷却作用,尤其在激光辐照停止后的降温阶段,其作用更加明显。     

几种高强铝合金的激光填粉焊接

采用2500W Nd:YAG激光加工系统,利用填充粉末激光焊接技术进行了几种高强铝合金的焊接;送粉头采取的是一种新型同轴三层结构形式。结果表明,采用He:Ar=4:1左右的混合气作为焊接时的保护气比单纯使用He气和Ar气保护效果好,而试板背面保护气采用He气或Ar气均可。高速摄像显示,采用填充粉末的激光焊接过程比没有填充粉末的稳定,熔池金属表面的波动性小;在优选的焊接工艺规范下,含有AlSi12合金粉末的焊缝没有发现热裂纹。焊接接头的拉伸强度实验显示,采用填充粉末、激光焊接优化工艺参数获得的2219、2024、LF3、6061等铝合金试件断裂都发生在母材一侧;即使焊接性差的7075铝合金,其焊缝正反表面平滑连续、成型良好,无明显外观缺陷。焊缝强度较未填粉时有大幅度提高,达到了母材的78%。     

Zn中间层对镁/铝异种金属激光焊接的影响

为了研究激光焊接镁/铝异种金属的工艺方法,采用4kW光纤激光器对AZ31B镁合金和5083铝合金进行了添加Zn中间层的焊接试验,得出了Zn中间层对镁/铝异种金属激光焊接接头的影响机理。结果表明,焊接接头组织较为均匀,热影响区不明显;镁侧熔合区及焊缝中心部位以α-Mg和α-Mg+Mg₁₇Al₁₂共晶组织为主,底部为Al固溶体及Mg/Al,Mg/Zn间化合物组成的混合组织;随着Zn中间层厚度的增加,焊缝底部生成的Mg/Zn化合物数量增多,Mg/Al间化合物数量明显减少,且连续分布的状态得到改善,剪切断裂由解理向混合断裂方式过渡;当中间层厚度为0.1mm时,拉剪强度达到最大值25.47MPa。该研究对提升镁/铝异种金属焊接接头的强度是有帮助的。     

Zr65Al7.5Ni10Cu17.5非晶合金激光熔凝的热效应模拟

为了研究激光增材制备非晶合金过程中熔池和热影响区的成形机制, 利用有限元软件ANSYS, 对激光增材制造技术的基础过程-激光快速熔凝Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5非晶合金的热效应进行了数值模拟分析。结果表明, 激光单点熔凝时, 熔池的平均冷却速率为6.3×104K/s, 热影响区的平均冷却速率为1.4×104K/s, 远高于Zr₆₅Al_7.5Ni₁₀Cu_17.5非晶合金的临界冷却速率1.5K/s, 说明激光单点熔凝的热变化满足非晶合金的生长条件; 激光单道熔凝过程中, 熔池的平均冷却速率仍比较高, 为2.11×102K/s, 但热影响区的平均冷却速率较低, 为74K/s, 且热影响区会产生弛豫累积, 可能造成一定程度的晶化。此研究为激光增材制备非晶合金材料提供热效应的理论基础。     

3种吸收率模型的金属激光加热数值研究比较

为了比较单一常数吸收率模型、固态和液态吸收率分别为常数的组合吸收率模型以及温度相关吸收率模型对于数值结果的影响,分别采用这3种吸收率模型建立了空间轴对称有限元计算模型,模拟了激光加热铝板的过程,对比了不同吸收率模型下的计算结果,讨论了这几种吸收率模型的优劣和适用范围.结果表明,对于固态和液态均明显存在的加热过程,固态和液态阶段分别为不同常数的组合吸收率模型能得到与使用吸收率温度相关模型很相似的结果,而使用单一的常数吸收率模型与之相比则差别较大;对于加热区域为单一物态的加热过程,使用单一常数吸收率模型与使用吸收率温度相关模型的计算结果有一定的差别,但差别不大.