增材制造金属结构件残余应力的研究进展

增材制造技术近年来取得了重大进展,金属增材制造可以三维成型精度高的复杂形状零件,在各行业的应用中具有独特优势。然而,增材制造金属零件成形时由于高温度梯度会引起复杂残余应力。简要分析了增材制造技术的特点,重点总结了激光选区熔化和电弧增材制造的工艺原理。在此基础上,详细综述了增材制造过程中残余应力的产生机制及测量方法,其中,温度梯度机制是解释残余应力产生机制最常用的方法。针对残余应力的测量,分别从无损检测和破坏性检测两方面进行归纳,最常用的破坏性检测残余应力的方法是轮廓法和钻孔法,而无损检测的方法是X射线衍射法。并且总结了残余应力的调控方法,包括工艺参数调控、预热缓冷及重熔调控、结构设计调控、辅助外场调控、后处理调控。最后简要总结增材制造金属结构件残余应力研究中亟待解决的问题,并展望了金属增材制造的发展方向。     

金属激光3D打印过程数值模拟应用及研究现状

数值模拟可以高效、有针对性地对金属激光选区熔化成型过程中的温度场、熔池形状、残余应力和变形、凝固过程微观组织演变等过程建立相应的模型并对成形件的相关性能做出准确预测,为工艺优化提供科学的依据,显著降低工艺开发成本和缩短工艺开发周期,有力推动金属增材制造向工业级应用的转变。本文综述了金属激光增材制造过程中温度场、熔池动力学、成形件内部残余应力和变形、显微组织变化4个方面数值模拟的最新研究进展,概述了金属SLM过程数值模拟所取得的最新进展,分析了金属SLM数值模拟领域的研究热点和所存在的计算时间长、成本高等问题,最后提出金属SLM过程数值模拟应将3D打印过程中快速凝固、微熔池等特征与大数据、人工智能、深度学习等技术相结合,进一步提高数值模拟精度,拓宽金属激光增材制造加工窗口,为个性化产品开发提供指导。     

激光增材制造高性能钛合金的组织调控与各向异性研究进展

激光增材制造技术(Laser Additive Manufacturing, LAM)是一种实现零件精确成形和高性能成性一体化制造的先进技术。首先介绍了两种典型激光增材制造技术的成形原理及其特点;然后重点介绍了西安交通大学在高性能钛合金激光增材制造组织调控和各向异性方面的研究进展:①硼变质对激光增材制造TC4零件的组织调控和各向异性的影响;②硅变质对感应加热辅助激光增材制造TC4微观组织的影响;③超声冲锻对激光增材制造TC4零件的组织调控和各向异性的影响。最后阐述了激光增材制造技术所面临的挑战与任务。     

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制造的研究现状和最新成果,总结了当前研究存在的不足。在此基础上,对电子束熔丝增材制造技术未来应关注的研究方向给出建议,即实现送丝稳定性和大型复杂结构件的成形路径优化、降低构件应力集中并提升构件成形精度与性能、研究成形过程中热力分配及微观组织转变过程、引入多信号进行增材制造过程的实时监测。     

激光增材制造热-力耦合数值模拟研究现状及进展

激光增材制造技术加工过程中温度变化迅速而剧烈,导致成形件内部产生复杂的热应力和残余应力,这是成形件发生应力变形、翘曲、开裂等加工缺陷的根本原因。并且,剧烈的温度变化使得难以直接使用实验观察其温度场和应力场演变规律。因此,通过建立有限元模型进行数值模拟的方法来分析热-力耦合场的分布以及其对成形件质量的影响尤为必要。总结了金属激光增材制造技术温度场和应力场的数值模拟研究进展及现阶段存在的一些问题,进一步探讨了金属激光增材制造技术在数值模拟方面的未来发展方向。     

高性能大型金属构件激光增材制造技术研究现状与发展趋势

高性能大型金属构件激光增材制造技术,将"高性能金属激光熔化/快速凝固材料制备"与"大型构件近净成形制造"结合,为航空、航天、船舶、电力、石化、海洋工程等高端装备中大型难加工金属构件的制造提供了新途径。综述了北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室在钛合金等高性能大型关键承力构件激光熔化沉积增材制造技术方向的主要进展:突破以"凝固晶粒"、"内部缺陷"及"显微组织"为核心的钛合金大型关键主承力构件激光增材制造"质量性能"控制瓶颈难题;提出系列激光增材制造工艺新方法,揭示激光增材制造过程内应力形成机理与演化规律,初步建立"变形开裂"预防方法;研制出具有原创核心关键技术的系列化大型激光增材制造工程化成套装备;自主制定了整套应用技术标准体系。北航团队研究成果在国家大型运输机、舰载机、大型运载火箭等重大装备研制生产中的工程应用,为解决装备研制生产制造瓶颈难题、提升装备结构设计制造水平、促进装备快速研制等发挥了重要作用,同时使我国在此领域处于国际领先地位。     

铝合金增材制造技术研究进展

铝合金是实现结构轻量化的首选材料,在航空航天、交通运输、船舶舰艇等领域具有广阔的应用前景。铝合金增材制造技术在复杂三维精密结构件的制造方面具有突出的优势和潜力,而且具有高效快速、成形结构可控性高等优点。关于铝合金增材制造技术的迅速发展,本工作从组织与性能、成形精度和质量、成形缺陷控制和数值模拟4个方面,着重介绍了铝合金增材制造的研究现状和最新成果,总结了当前研究存在的不足。在此基础上,对铝合金增材制造技术未来应关注的研究方向给出建议,即实现增材件微观组织控制、阐明增材件应力形成机理、提高增材件的成形精度、研究成形过程中的温度场分布规律等。     

激光增材制造不锈钢的凝固组织及调控方法研究进展

激光增材制造技术成形的制件具有自由度大、精度高、质量和性能好等优势,随着该技术的日益发展,其在不锈钢材料领域取得了显著的进展。激光增材制造技术成形不锈钢通常呈现出与传统制备工艺显著不同的非平衡凝固组织,表现出复杂的结构特征,而这些特征决定了合金的性能和应用。介绍了激光熔化沉积和选区激光熔化两种激光增材制造技术,选择典型的316L不锈钢及17−4PH不锈钢,综述了激光增材制造不锈钢凝固组织特征的研究现状,重点关注典型多尺度、层次性的组织结构(包括晶粒、宏观缺陷、熔池组织、胞状亚结构、氧化物夹杂等)。系统分析了激光增材制造不锈钢的组织调控方法,包括调整工艺参数、改变工艺环境及热处理等方式,通过组织调控能够影响晶粒的生长及熔池反应,进一步改善其内部微观组织,如形成间隙固溶体或颗粒夹杂物、细化晶粒及消除孔隙等,同时能促进不同相的析出和转变。通过合理地调控凝固组织,能够显著改善不锈钢的组织及机械性能。最后,对激光增材制造不锈钢的未来发展进行了展望。     

增材制造镍基高温合金研究进展

镍基高温合金具有强度高、抗氧化能力好、蠕变强度和持久强度好以及抗燃气腐蚀能力的特点,被广泛应用于航空航天、汽车通讯、船舶制造等领域.近年来,增材制造技术的进步加速了增材制造镍基高温合金的发展.激光增材制造对于镍基高温合金的制备具有独特的优势,如生产周期短、成本低以及可进行功能预设等.对于航空发动机及燃气机轮中喷嘴、燃烧室等热段部件以及航天飞行器等复杂零件的成形制造非常有利.目前,相关方面的研究热点主要有激光增材制造过程中凝固组织的变化规律、工艺参数与熔池宏观形态间的关系、残余应力的分析以及缺陷的探究.本文综述了增材制造技术制备镍基高温合金的研究进展,简要概括了增材制造技术和镍基高温合金的发展概况,总结了用增材制造技术制备的镍基高温合金成形件的显微组织、后处理后组织的变化及其对力学性能的影响,最后阐述了增材制造镍基高温合金成形件存在的缺陷及解决方法.     

增减材复合制造技术研究现状与发展

近年来,增减材复合制造技术成为智能制造的主要方法之一,它依靠增材制造实现材料层积成形,利用减材技术提高表面质量、改善应力状态,兼顾了增材制造的快速成型及减材制造的高精度。本文首先阐述了增材制造技术概况及增减材复合制造技术的概况,然后就国内外有关增减材设备的研究及增减材过程中有关材料表面残余应力和粗糙度的研究进行说明,最后,对增减材复合制造技术面临的主要问题、未来发展趋势进行总结及展望。     

核电用316L不锈钢粉末增材制造研究现状

增材制造技术是一种无须模具、近净成形的先进制造工艺。不锈钢是一种在核电行业广泛应用的结构材料。实现不锈钢结构件的增材制造将进一步推动增材制造技术的发展,也可为核行业带来革命性改变。以核电用316L不锈钢为例,系统阐述了不锈钢粉末增材制造研究现状,包括粉末制备工艺现状、增材制造成形工艺现状以及成形件的组织性能研究现状。目前,增材制造用316L不锈钢粉末的制备工艺主要为雾化法,粉末的物化性能受制粉工艺参数的影响。在激光粉末床熔融增材制造技术、电子束选区熔化技术和等离子增材制造技术中,尤以激光粉末床熔融增材制造不锈钢的应用最为广泛。增材制造316L不锈钢的组织与性能存在各向异性,但各向异性可通过增材制造的后处理技术消除。目前增材制造最为常用的后处理技术为热处理。与锻造316L不锈钢相比,经热等静压处理的增材制造316L不锈钢的力学性能与辐照性能更优。目前,核用不锈钢的增材制造技术还处于起始阶段,后续应重点关注增材制造的成形机理及成形材料中子辐照性能等内容。     

大面积薄壁结构激光选区熔化成形工艺研究

激光选区熔化成形技术是以原型制造技术为基本原理发展起来的一种先进的激光增材制造技术。该文以大面积薄壁结构特点构件增材制造为例,对相同参数下不同厚度基板成形工艺进行差异性研究,分析影响成形质量的相关因素,为提高SLM增材制造高温合金金属零件成形精度提供依据。     

钢的激光增材制造研究进展及前景展望

激光增材制造是一种兼顾精确成形和高性能需求的一体化制造技术,为钢构件的高质量快速制造提供了新思路、新方法。从目前典型钢构件的激光增材制造成形质量控制、组织特征、力学性能和应用现状4个方面出发,主要综述了不同的能量输入及氧含量对成形致密度的影响,提出了如何降低孔隙率的方法,对比了不同激光增材制造工艺方法下,制备模具钢、不锈钢和超高强钢试件热处理前后的微观组织和力学性能。在此基础上,对钢构件激光增材制造的发展趋势和需要进一步深入研究的问题进行了讨论,指出了激光增材制造修复技术与超声辅助工艺相结合的发展前景。     

激光熔丝增材过程传热流动行为数值模拟

目的 研究激光熔丝增材制造过程的熔池流动特性,探究工艺参数对熔池流动与传热行为的影响.方法 建立了考虑运动丝材持续送进过程的激光熔丝增材熔池传热和流动行为数学模型.针对316L不锈钢的激光熔丝增材制造,开展了成形过程中丝材送进、熔化和凝固行为的实验和数值模拟研究.结果 模拟结果 显示在成形过程中,准稳态阶段激光辐照中心的最高温度约为2500 K.金属液主要由丝材端部向熔池尾部流去,并在熔池尾部凝固形成堆积体.同时,熔池表面最大速度可达0.8 m/s,并具有速度振荡特征.结论 基于激光熔丝增材制造过程数学模型的模拟结果 与实验吻合良好,结果 表明,减小送丝速度会增大熔池表面高温区面积,并导致熔池的速度振荡程度增加.     

激光增材制造钢的后热处理研究现状

激光增材制造为非平衡凝固过程,容易产生组织应力及热应力,出现变形和开裂等现象。通过后热处理,能够达到改善激光增材制造金属构件组织、消除缺陷、优化性能的目的,因此,后热处理制度的优化成为合金钢件增材制造亟待解决的关键技术。针对合金钢的激光增材制造,综述了近年来激光增材制造钢的后热处理工艺的研究现状。选择典型的17-4PH不锈钢及316L不锈钢等增材制造钢,研究不同后热处理规范对组织形态、第二相质点分布的影响;及其相应的热处理前后的拉伸强度及伸长率等力学性能的变化情况。通过热处理规范的合理选择,能够显著改善增材制造钢的组织及机械性能。     

基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术研究进展

陶瓷以其优异的热物理化学性能在航空航天、能源、环保以及生物医疗等领域具有极大的应用潜力。随着这些领域相关技术的快速发展, 其核心零件部件外形结构设计日益复杂、内部组织逐步走向定制化、梯度化。陶瓷具有硬度高、脆性大等特点, 较难通过传统的加工成形方法实现异形结构零件的制造, 最终限制了陶瓷材料的工程应用范围。激光增材制造技术作为一种快速发展的增材制造技术, 在复杂精密陶瓷零部件的制造中具有显著优势: 无模、精度高、响应快以及周期短, 同时能够实现陶瓷零件组织结构灵活调配, 有望解决上述异形结构陶瓷零件成形问题。本文综述了多种基于粉末成形的激光增材制造陶瓷技术: 基于粉末床熔融的激光选区烧结和激光选区熔化; 基于定向能量沉积的激光近净成形技术。主要讨论了各类激光增材陶瓷技术的成形原理与特点, 综述了激光选区烧结技术中陶瓷坯体后处理致密化工艺以及激光选区熔化和激光近净成形技术这两种技术中所打印陶瓷坯体基体裂纹开裂行为分析及其控制方法的研究进展, 对比分析了激光选区烧结、激光选区熔化以及激光近净成形技术在成形陶瓷零件的技术特征, 最后展望了激光增材制造陶瓷技术的未来发展趋势。     

光丝同轴激光增材制造研究进展

增材制造作为实现三维结构快速成形的技术,广泛用于航空航天、汽车交通等领域.当前,激光熔丝增材制造多依托于传统的激光焊接设备,采用旁轴送丝方式,在增材过程中,需调整激光头方向保证送丝和焊接头行进的相对方位,增大了复杂构件增材制造系统控制难度,损失了加工自由度.随着激光加工设备和技术的发展,近年来出现了一种可以解决上述问题...     

金属增材制造技术及其专用材料研究进展

金属增材制造已成为先进制造技术的一个重要发展方向,是制造领域的国际制高点,有着广阔的发展前景,也存在着巨大的挑战。介绍了激光选区熔化、电子束选区熔化、激光立体成形、电子束熔丝沉积等金属增材制造技术在成形装备、工艺技术和应用方面的研究进展,总结了增材制造用金属粉末和丝材的研制情况,指出了现阶段该技术存在的问题和未来研究方向。     

Inconel 625镍基高温合金激光增材制造翘曲变形行为研究

为了明晰激光增材制造翘曲变形行为,获得相关变形规律。对Inconel 625高温合金激光增材制造工艺对零件变形量的影响进行了分析,实验结果表明:扫描路径的长度决定翘曲变形量的大小;不同工艺参数对翘曲变形量的影响程度不同;激光增材制造加工过程一般会同时引起两个方向的翘曲变形;同时翘曲变形量随着激光功率的增加而增加,随着扫描速度的增加而增加,随着送粉速度的增加而减少。     

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.