我国3D打印钛合金粉末材料产业发展现状研究

1前言3D打印技术是以三维计算机辅助设计(CAD/CAM)模型为基础,直接将粉末或丝状材料加工制造成形,而无需或极少附加其他工艺的先进制造技术。金属粉末产业是3D打印产业链中最重要的部分,3D打印过程中粉末材料在高能热源作用下的冶金变化速度极快,成形过程中粉末材料与热源直接作用,粉末材料没有模具的约束以及外部持久压力的作用。     

金属与粉末冶金

<正>美科学家研发液态金属直接输写3D打印技术近日,美国著名应用实验室劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)与美国知名私立研究型大学伍斯特理工学院合作开发出一种全新的金属3D打印工艺——直接金属书写。目前,大多数金属3D打印工艺,如选择性激光熔化(SLM),使用的是细金属粉末,这导致了一些局限性,如3D打印部件存在间隙或缺陷。直接金属书写方法可以帮助克服这些基于粉末的金属3D打印技术的局限性。新方法使用一种半固体金属,也可以称其为一种剪切稀化材料,而不是粉末。这种特殊的金属材料在     

浅析激光选区熔化增材制造专用粉末特性

正随着激光选区熔化增材制造技术(SLM)的发展,业界才将3D打印技术从真正意义上推至"所想所见即所得"的新高度。但是,SLM技术对金属粉末的性能要求很高,因粉末性能不合格导致构件打印失败的例子屡见不鲜。粉体材料,实际上已经成为左右SLM技术发展的关键技术瓶颈。本文概述了粉末粒度、化学成分、球形度/球形率、流动性/休止角、松装密度/振实密度、空心粉率、夹杂物等粉末特性的检测方法,重点阐述了上述     

钢结硬质合金粉末/碳钢液相烧结复合过程研究

利用爆炸压制法压实钢结硬质合金粉末,采用真空液相烧结扩散复合法将压实后的钢结硬质合金粉末与碳钢结合,对复合界面结合强度进行抗拉强度测试.复合界面的SEM和EDS分析表明:在1350℃真空液相烧结过程中,金属粉末中各元素及硬质相分解出的C和W元素相互扩散,界面处及钢结硬质合金中出现复式碳化物,粉末自身形成致密合金的同时与碳钢基体达到良好冶金结合.     

FeSiAl微波衰减材料激光3D打印技术研究

为适应新型微波真空电子器件对微波衰减材料"薄、轻、宽、强"的发展需求,解决传统人工涂敷和烧结无法精确控制涂层厚度的问题,本文提出了使用3D打印SLM技术制备FeSiAl涂层的新思路。首先,筛选出SLM成型后衰减性能最好的FeSiAl合金粉末;其次,研究3D打印工艺参数对成型件衰减性能的影响规律。研究表明,选择200目以细、Fe∶Si∶Al∶O的质量百分比为74.63∶11.64∶3.36∶10.37的FeSiAl合金粉末,取3D打印的工艺参数为激光功率175 W、扫描速度1600mm/s、扫描间距0.06 mm、铺粉厚度0.02 mm,预热温度为80℃,可制备出具有优异微波衰减性能的FeSiAl涂层,较好地满足器件设计及制造需求。     

2205钢表面激光熔覆Ni基+WC合金涂层的研究

采用激光熔覆技术在2205双相不锈钢表面制备Ni基与WC合金熔覆层,并对添加不同WC含量的合金粉末在相同激光熔覆工艺参数下的合金熔覆层进行成分和性能分析,探讨不同WC添加量对熔覆层微观组织、耐腐蚀性能及硬度的影响。研究结果表明:激光熔覆层与基体之间获得了良好的冶金结合,熔覆层与基体元素有较好的对流和扩散;熔覆层的耐腐蚀性能随WC添加量的增加呈负相关,在WC添加量为15%时,熔覆层的耐腐蚀性能最差;熔覆层的硬度值从熔覆层至基体呈梯度降低趋势,熔覆层硬度约为基体硬度的2~3倍,而单一熔覆Ni基WC合金层硬度值变化较大。     

同轴送粉金属激光3D打印熔池流动、成分分布以及组织生长数值模拟的研究进展

在“中国制造2025”、美国《国家先进制造战略计划》、欧洲航天局《惊奇计划》、日本《增材制造科研计划》、新加坡《工业增材制造项目》以及欧盟《3D打印标准化路线图》等全球新型制造技术迅猛发展的机遇下,金属激光3D打印融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术,以数字化模型文件为基础,通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化,制造出实体产品,该技术日益成为国内外专家学者的研究热点。它与传统的对原材料进行切削、组装的加工模式不同,是通过材料累加的原理,从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点,使得它受到全球的广泛关注,将可能会给传统的制造业带来一系列深刻的变革。其中同轴送粉式金属激光3D打印技术因具有成形尺寸大、可利用材料范围广、成形件的材料性能优异等特点,在航空航天、交通、医疗与能源等领域有着广阔的应用前景,成为金属增材制造主流的工艺技术。 3D打印熔池中存在着传热、对流、传质、气-液界面冶金反应以及固-液界面扩散等复杂的动态物理冶金过程。熔池的流体力学行为直接影响材料组织的均匀性以及致密性,因此,如何通过流体力学方法对熔池的流体动态过程进行模拟,建立熔池温度和流场的三维非稳态模型,并定量分析浮力、表面张力、粉末冲击力以及综合作用对3D打印过程温度场、速度场和熔池形态的影响是需要解决的关键问题。 数值仿真模拟是研究同轴送粉式金属激光3D打印熔池动力学过程的重要手段之一。目前,在关于同轴送粉式金属激光3D打印数值模拟和激光焊的数值模拟研究中,已包含较为全面的多尺度数值模型,例如光-粉耦合作用数值模型、熔池气-液界面和固-液混合区界面追踪模型、熔池瞬时变化的热场和流场分析模型、熔池中合金元素的分布过程介观模型以及基于相场法的熔池形貌和显微组织凝固元胞自动机模型等。 本文主要阐述国内外研究学者对同轴送粉式金属激光3D打印仿真模拟的研究进展,主要集中在3D打印过程中熔池瞬时变化的热场和流场分析、合金元素的分布过程以及熔池形貌和显微组织凝固等方面。由于数值模拟方法具有一定的通用性,为了更全面地介绍与同轴送粉式金属激光3D打印技术相关的数值模拟方法,本文也涉及了少量送粉式激光熔覆以及激光电弧填粉焊接等过程的数值模拟工作。     

真空熔烧涂层与母材的界面研究

采用法向拉伸法测定了真空熔烧涂层与母材的界面结合强度 ,并用电子探针分析了合金元素沿层深分布情况。结果表明 ,真空熔烧法制得的涂层与母材间形成了牢固的冶金结合 ,界面结合强度可达 3 60～40 0MPa ,提高了材料的抗热疲劳性能。合金元素在界面两侧的扩散是影响材料显微组织、显微硬度及界面结合强度的关键     

新方法造粉末复合材料效益能提高30%

正俄罗斯南乌拉尔国立大学研究人员开发出在石墨、焦炭、聚合成分的基础上,制造粉末复合材料的新方法,有助于减少原子能、航空航天工业、冶金、电子交通等领域的生产废料,改善电子技术产品的质量,从而使生产效益提高30%。相关研究发布在最近的《冶金家》上。研究人员称,混合是生产金属粉末的最重要阶段之一,混合有助于获取多组分材料的粉末,用这样的材料制成的产品质量很高。不仅粉末冶金中广泛需要这种混合物,在3D打印生产中,也对复合粉末材料的质量提出了高     

SLM金属3D打印技术在主泵样机试验中的应用研究

金属3D打印工艺具有材料利用率高,易成型复杂结构,柔性定制化生产等优点,适合于模型级试验叶轮、导叶、诱导轮及其它金属功能件的快速制造。其中,选区激光熔化成型技术(SLM)作为主流的金属3D打印技术,可以获得冶金结合、组织致密、高尺寸精度和良好力学性能的零件。采用SLM技术,进行了某项目主泵缩尺试验样机叶轮和导叶的直接成型,材料为17-4PH不锈钢。其中叶轮与组装轴一体化打印,节省了组装成本,对打印模型优化、加工参数和过程监控等工艺问题进行研究,保证了一体化轴叶轮部件和大直径导叶的成功打印,并对打印后的零件进行了热处理和精加工,最后进行了主泵样机气液两相性能试验。试验结果表明,SLM金属3D打印技术制造的转、定子部件成功应用于主泵样机试验中,明显缩短样机加工周期,加工精度、表面质量和力学性能等指标均满足试验要求。     

中航工业北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心

正中航工业北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心成立于2013年,旨在推动3D打印技术在航空、航天、生物医学等领域的快速应用,是先进航空材料3D打印技术研究的专业化机构。中心由高温合金、铝合金、钛合金、功能材料、生物医学制品、焊接、热处理、表面、物理冶金、无损检测、失效分析、力学性能测试等专业组成,涉及高温合金、钛合金、铝合金、高强钢、不锈钢、金属间化合物、陶瓷及陶瓷基复合材料等应用技术领域。中心由3D打印粉末研究部、工艺研究部、设备设计与集成研究部、无损检测研究部、力学性能研究     

中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心

<正>中国航发北京航空材料研究院3D打印研究与工程技术中心成立于2013年,旨在推动3D打印技术在航空、航天、生物医学等领域的快速应用,是先进航空材料3D打印技术研究的专业化机构。中心由高温合金、铝合金、钛合金、功能材料、生物医学制品、焊接、热处理、表面、物理冶金、无损检测、失效分析、力学性能测试等专业组成,涉及高温合金、钛合金、铝合金、高强钢、不锈钢、金属间化合物、陶瓷及陶瓷基复合材料等应用技术领域。中心由3D打印粉末研究部、工艺研究部、设备设计与集成研究部、无损检测研究部、力学性能研究     

DD3单晶合金短时液相扩散连接接头组织与性能研究

采用D1P和D1F两种中间层合金在1250℃下分别保温10,30min,1,2,4h扩散连接DD3单晶合金.这两种中间层合金是在DD3合金成分基础上添加了一定量的降熔元素硼,分别以粉和箔带形式使用.对上述规范下获得的DD3接头组织和性能进行了研究分析,结果表明, 扩散时间短,D1P中间层合金扩散焊接头组织很不均匀,在中间层合金流入处生成大量光板γ′相,对接头持久性能不利,1250℃下扩散4h接头的980℃持久性能为母材性能的60%;而D1F中间层合金扩散焊接头组织均匀一致,1250℃下扩散4h接头980℃持久性能超过母材性能的70%.     

3D打印制备多孔结构的研究与应用现状

多孔结构材料具有优异的物理、力学性能,应用领域广泛。目前,已开发出的多孔结构的制备方法种类繁多,然而仅少数可实现批量生产,大多数方法工艺较为复杂,并且在制备过程中难以对多孔结构进行有效控制,以致所得多孔结构仍存在某些性能方面的不足。3D打印技术的发展与应用为多孔结构的制备带来了新的途径,所制备的多孔结构可同时具备宏观孔隙和微观孔隙,其骨架及宏观孔隙可以根据需要进行设计。可用于制备多孔结构的3D打印方法主要有利用激光能量的选择性激光烧结法(SLS)、选择性激光熔化法(SLM)和激光近净成形法(LENS)等方法,利用电子束能量的电子束熔化(EBM)法,喷射粘结剂的三维印刷(3DP)法,材料挤出类中的熔融沉积成形(FDM)法和三维浆丝沉积(3DF)法,以及间接3D打印法。近年来,国内外学者对采用这些方法制备多孔结构开展了一定的研究,以期找到适合具体情况的3D打印方法及相应合理的工艺规范,从而提高制件的性能。采用SLS、SLM和LENS法,通过控制激光扫描轨迹和粉末烧结程度可以获得材料的宏观和微观孔隙。SLS法可制备的多孔结构材料种类较广,SLM和LENS法主要用于制备金属多孔结构。EBM法与SLM法类似,但EBM法需要在真空环境下成形,可用于制备Ti等活泼金属材料。适用于3DP法的粉末材料种类更广,可选用不同的粘结剂和相应的后处理方法,其工艺灵活性大。FDM法一般用于低熔点热塑性材料,通过熔融挤出而堆积成宏观多孔结构。3DF法以粉末浆料的形式挤出成形,适用的材料种类比FDM法广,得到的结构具有宏观和微观孔隙。FDM和3DF法的打印精度和孔隙尺寸受喷嘴打印能力的限制。间接法先利用某种便捷的3D打印方法制备出多孔结构原模,再将该原模经粉末冶金、浇注等方法制得所需的多孔结构材料,这样可以避免3D打印直接制备某些材料的多孔结构在结构特征方面受到的限制。上述这些方法中,由于激光和电子束的能量集中,故SLM和EBM法制备的多孔结构相对于其他方法更精细。3D打印制备多孔结构时孔隙的形成机理可以总结为:制件内打印轨迹未到达的区域形成的宏观设计孔隙、制件骨架内的粘结剂被加热分解或被溶解而去除后形成的孔隙、气体溶解在烧结过程中的熔融金属内形成的孔隙、激光扫描熔迹之间形成的孔隙、粉末颗粒间堆积空隙形成的孔隙。本文对3D打印制备多孔结构的研究与应用现状进行了综述,概述了制备多孔结构的几种主要的3D打印方法,总结了其孔隙的形成机理,介绍了3D打印多孔结构的应用现状,指出了未来需要开展的研究。     

W-Fe-Ni合金与铜HIP扩散连接技术研究

以高纯Ti箔作中间过渡层材料.在QIH16型热等静压机内扩散连接W-Fe-Ni合金与紫铜材料.采用SEM对连接界面的元素分布进行了分析,测试了不同温度下连接件的拉伸强度,并分析了连接过程中元素的扩散特点.结果表明,采用145MPa/1050℃/120min热等静压工艺可成功实现W-Fe-Ni合金与铜的冶金结合,随HIP温度升高,界面元素扩散越充分,结合强度更高.     

铬(Cr)添加量对真空粉末熔覆镍铬-碳化铬(NiCr-Cr_3C_2)复合涂层微观组织的影响

采用高温真空粉末熔覆工艺在镍基高温合金表面制备了Cr改善的Ni Cr-Cr_3C_2复合涂层,涂层与基体形成冶金结合。通过添加不同含量(0%,10%,20%,30%(质量分数))的Cr粉末,研究了Cr含量对涂层微观组织,相组成及界面扩散的影响。结果表明,Cr的添加促进了涂层中硅(Si)元素的消耗并形成Cr3Si,同时抑制了界面处脆性相Ni3Si的产生。随着Cr添加量的增多,二次反应区厚度及界面处的Ni3Si含量均相应减少。     

SLM成形镍基高温合金及其数值模拟的研究进展

镍基高温合金在高温高压条件下具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力,广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。首先介绍了用选区激光熔化成形技术(SLM)3D打印镍基高温合金零件及其数值模拟的国内外研究现状,然后介绍了SLM技术成形的镍基高温合金的力学性能和微观组织结构以及后处理对其微观组织及性能的影响。其次介绍了通过有限元对增材制造过程的模拟,以及其对工艺过程指导意义。最后进一步介绍了SLM成形镍基高温合金领域的研究热点以及数值模拟在这一领域的应用。     

模具钢表面热喷熔层的超塑性扩散焊接

在 3Cr2W 8V模具钢表面进行了Ni6 0自熔性合金粉末氧 乙炔火焰热喷熔处理 ,并对喷熔层进行了超塑性压缩试验。能谱分析和性能试验表明 ,超塑性扩散焊增大了扩散层深度 ,与未经超塑性压缩的Ni6 0喷熔试样相比 ,经超塑性压缩的喷熔层的抗摩擦磨损性能得到了很大的提高     

等离子束熔覆技术在缸体缺陷修复中的研究

针对液压支架缸体的使用条件,采用等离子熔覆技术修复其表面缺陷,在27SiMn钢基体上熔覆合金粉末,形成金属基复合材料熔覆层.该熔覆层硬度可达1433 HV.该熔覆层与基体形成的冶金结合体具有较高的耐磨性能.应用结果表明,经熔覆处理,缸体使用寿命提高3～5倍,达到了良好的效果.     

耐蚀合金/碳钢热等静压扩散焊接反应层元素互扩散规律研究

利用动力学软件Dictra中的单相扩散模型模拟计算耐蚀合金与碳钢热等静压扩散焊接结合界面附近的元素浓度分布,并根据热力学相图计算建立获得扩散反应层内微观组织与界面元素浓度分布之间的关系.计算结果表明:该模拟方法能够准确描述热等静压扩散焊接过程中的元素浓度分布规律,同时能够预测扩散反应层内的微观组织变化.在此基础上,利用这一模型计算得出温度和时间对扩散焊接过程中元素互扩散规律的影响,结合元素扩散距离与界面结合质量之间的关系,得到耐蚀合金与碳钢可以实现界面良好结合的工艺条件:1050℃/200MPa/2.5～3h,1100℃/200MPa/1h,1150℃/200MPa/0.5h等.