激光熔化沉积成形/修复GH4169合金组织性能调控研究进展

GH4169合金由于具有优异的高温强度、抗疲劳、耐磨损、耐腐蚀等性能，长期服役温度高达650～700℃，因而广泛应用于航空航天、核工业及石油化工等工业领域，是一种不可或缺的高温结构材料。激光熔化沉积技术因其沉积效率高、成形构件组织细密、内部质量及力学性能优异，在大型金属结构件高效、高性能制造及高价值金属构件缺陷或损伤高性能修复方面极具优势。近年来，关于GH4169合金激光熔化沉积成形/修复方面的研究及应用日益增多，该合金已成为金属增材制造技术研究及工程应用的热点材料之一。首先介绍了激光熔化沉积成形/修复GH4169合金典型沉积态组织及力学性能，然后重点从调控成形工艺、施加后续热处理、外加能量场/强制冷却、引入塑性变形等4个方面综述了当前激光熔化沉积成形/修复GH4169合金组织及力学性能调控的研究进展。最后指出了当前激光熔化沉积成形/修复GH4169合金所面临的挑战，并对未来具备潜在可行性的组织性能调控方法进行了展望。     

3D打印钛合金薄壁构件的研究进展

钛合金薄壁构件具有质量轻、结构紧凑等优势,然而因其轴向尺寸大、壁厚薄和形状复杂等几何特征,传统成形技术在成形薄壁构件时流程长、工艺复杂,严重限制了钛合金薄壁构件的应用。金属粉床3D打印技术可快速成形复杂异形零部件。为此,对电子束选区熔化技术(SEBM)和激光选区熔化技术(SLM)的成形能力和成形钛合金薄壁构件的微观组织、力学性能和表面粗糙度进行综述,并分析3D打印高性能精密复杂整体钛合金薄壁构件的发展趋势,为轻量化钛合金薄壁构件在高端装备上的应用提供参考。     

选区激光熔化成形GH4169合金研究现状

介绍了选区激光熔化成形GH4169合金存在的球化、孔洞等常见缺陷的形成机理及工艺控制现状,重点分析了激光功率、扫描速率、铺粉厚度等工艺参数对选区激光熔化成形GH4169合金成形件组织性能的影响规律,以及热处理、颗粒增强等组织性能调控手段对选区激光熔化成形GH4169合金组织性能影响。从工艺控制、材料强化设计等方面对选区激光熔化成形GH4169合金进行展望,认为利用选区激光熔化成形技术开展颗粒增强GH4169复合材料的设计与成形是进一步提升选区激光熔化成形GH4169合金性能的有效途径。     

选择性激光熔化成形17–4PH不锈钢研究

选择性激光熔化技术具有一次成形、节省原材料、可成形任意复杂结构工件及性能优良等特点，是17–4PH不锈钢成形研究的新方向。本文综述了近几年选择性激光熔化制备17–4PH不锈钢研究现状，包括工艺参数对17–4PH不锈钢性能的影响，热处理和热等静压对17–4PH不锈钢力学性能的改善，不同成形方式和不同后处理17–4PH不锈钢的显微组织变化，以及在选择性激光熔化成形17–4PH不锈钢过程中出现的问题和发展趋势。     

激光直接沉积成形Ni3Al合金的裂纹分析北大核心

激光直接沉积成形技术给Ni3Al合金提供了更广泛的应用场景,但成形过程中的热裂倾向限制了其应用。对Ni3Al合金激光直接沉积成形热裂问题展开研究和讨论,通过微观表征及力学性能测试探究了裂纹形成机制,并提出了相应的成形工艺优化方案。结果表明:Ni3Al合金在激光直接沉积成形时,会产生明显的宏、微观沿晶裂纹。枝晶偏析使得晶界上Ti、Al富集,促进了γ/γ?共晶相的形成,弱化了晶界,在快速热循环带来的残余应力不断积累下,裂纹发生沿晶扩展。通过优化激光工艺合理降低激光线能量密度,改善成形气氛,可以有效克服Ni3Al合金激光直接沉积成形的热裂倾向,实现构件的无裂纹增材制造。     

激光直接沉积成形Ni_3Al合金的裂纹分析

激光直接沉积成形技术给Ni3Al合金提供了更广泛的应用场景,但成形过程中的热裂倾向限制了其应用。对Ni3Al合金激光直接沉积成形热裂问题展开研究和讨论,通过微观表征及力学性能测试探究了裂纹形成机制,并提出了相应的成形工艺优化方案。结果表明:Ni3Al合金在激光直接沉积成形时,会产生明显的宏、微观沿晶裂纹。枝晶偏析使得晶界上Ti、Al富集,促进了γ/γ?共晶相的形成,弱化了晶界,在快速热循环带来的残余应力不断积累下,裂纹发生沿晶扩展。通过优化激光工艺合理降低激光线能量密度,改善成形气氛,可以有效克服Ni3Al合金激光直接沉积成形的热裂倾向,实现构件的无裂纹增材制造。     

金属材料3D打印技术研究进展

根据3D打印成形原理,将金属材料3D打印工艺分为粉末床熔融、定向能量沉积、粘合剂喷射、材料喷射、薄材叠层5类,重点介绍了各工艺下主要技术的基本原理、优缺点、应用领域及进展。最后对比了几种主流3D打印技术,指出SLM和EBM已成为粉末床熔融工艺的主流,适合做小型超复杂整体构件;定向能量沉积工艺使用激光、电子束和电弧作为能量源将材料同步熔化沉积,加工效率高,适合做大型高性能整体构件;粘合剂喷射技术因生产成本低、周期短,在需要快速制造铸件的制造行业中具有应用潜力。并对金属材料3D打印发展方向进行了展望。     

铝铜合金粉末激光熔化成形的基础研究

铝合金作为支持我国航空航天发展的一种重要合金材料,在航天设备的建造与零件生产过程中发挥了不可替代的重要作用。然而随着我国航天事业的进一步发展,高难度的工作任务对于构成设备零件的合金材料性能要求也更高,因此需要利用快速成形技术代替传统铝合金加工工艺提高材料性能和减少铸造缺陷。本文重点讨论了铝铜合金粉末的激光熔化成形方法。     

激光选区熔化成形S136模具钢热处理组织和性能研究

激光选区熔化是非平衡凝固过程，成形过程会产生热应力及组织应力，造成金属零件开裂、变形等缺陷，后期热处理是改善激光选区熔化金属零件微观组织和提升性能的有效手段。本文研究了后期热处理参数（热处理温度、保温时间及冷却方式）对激光选区熔化成形的S136模具钢零件微观组织和性能的影响。结果表明:最优热处理参数为1050℃，保温30 min，水冷。在最优热处理工艺下S136模具钢试样洛氏硬度达到HRC 53.7，比热处理之前提高了8.6%，洛氏硬度标准差比热处理之前降低了37.14%，硬度均匀性得到显著改善；试样的耐磨性、最大显微硬度和最大弹性模量比热处理前分别提升33.5%、3.3%和8.6%；试样的熔池形态鳞状形貌结构消失，碳化物相CrFe₇C_0.45溶解，组织均匀，基本呈现各向同性特征。     

镍铬合金选区激光熔化成形非水平悬垂结构的工艺策略试验研究

非水平悬垂结构是选区激光熔化(SLM)成形复杂零件中较为典型的结构,其成形缺陷如翘曲变形、悬垂物、挂渣等较多,故研究悬垂结构选区激光熔化(SLM)成形中的工艺缺陷,改变和优化工艺策略,提高悬垂结构打印的精度和质量,对SLM技术的大规模推广和应用具有积极的作用。研究了选区激光熔化成形试验中,在极限成形角度附近,不同激光功率(100, 150, 200 W)和不同扫描策略如线扫描、棋盘扫描、条形扫描策略下,镍铬合金钢成形悬垂结构的精度和表面质量。根据不同策略的比较结果,提出了"回"字形完全填充扫描策略,并进行了试验验证。试验表明:镍铬合金钢在极限成形角度附近成形的悬垂结构,能够保证良好的成形精度和工艺效果,基本避免了翘曲、悬垂物等缺陷的产生。比较明显的成形缺陷有表面未熔缺陷和上下悬垂面挂渣缺陷,这些缺陷严重影响了表面粗糙度和成形精度,采用缩小点距、线间距的"回"字形完全填充扫描策略可获得最低的表面粗糙度值和较好的成形效果。     

选区激光熔化工艺参数对气雾化316L不锈钢粉末成形制品性能的影响

本研究系统考察了激光功率和扫描速度对316L不锈钢粉末选区激光熔化工艺成形熔道、制品微观组织及力学性能的影响,并分析了各类缺陷的形成原因。研究结果表明:在低激光功率和高扫描速度条件下,熔道中出现了大量球状颗粒,这些颗粒之间的空隙恶化了下一层粉末的熔化条件,这正是成形制品中熔道分布混乱以及孔洞、裂纹产生的根本原因,进而导致成形制品力学性能降低;在高激光功率和低扫描速度条件下,熔池快速升温/冷却的热应力作用增强,使得成形制品的熔道交界处也存在孔洞和裂纹等缺陷。在本研究实验条件下,激光功率为350 W,扫描速度为1750 mm/s时,SLM成形制品的力学性能最为优异,其中抗拉强度为731 MPa、屈服强度为638 MPa、断后伸长率为40.0%,致密度为96.27%。     

激光功率对 SLM 制备非晶合金成形及晶化的影响

非晶合金以其独特的原子排列和优异的性能引起人们的广泛关注,但由于尺寸、晶化等问题严重限制了实际工程中的应用,激光增材制造技术具有高升温-冷却速率和逐点熔融沉积的特点,为制备非晶合金提供了新思路。本文采用选择性激光熔融成型技术制备Zr_(50)Ti_5Cu_(27)Ni_(10)Al_8非晶合金。对制备出的样品的成分和组织结构进行了表征。结果表明,样品主要由非晶相构成,晶化主要发生在热影响区叠加区。随激光功率的降低,晶化区面积和晶化颗粒数量减少。但过低的功率会产生未熔合缺陷和裂纹,严重影响非晶合金的成形质量和非晶率。     

选区激光熔化CoCrFeNi-X高熵合金的研究进展

CoCrFeNi高熵合金因其单一稳定的面心立方固溶体结构,具有优异的塑性变形能力和较高的屈服强度,已成为众多追求高韧性制件研究的热门体系之一。同时选区激光熔化技术因其成形尺寸灵活和超快加热冷却速率,具备传统制备方式不可比拟的优势。通过梳理近些年选区激光熔化技术成功制备出的CoCrFeNiX高熵合金体系,首先针对8种不同合金体系的相结构和组织形貌,分析了组织结构对力学性能的影响;其次针对3种采用不同工艺参数制备的CoCrFeNi-X高熵合金成形件,分析制备工艺对成形密度及力学性能的影响;最后就合金成分设计对CoCrFeNi-Alx、CoCrFeNi-Mn两种主流合金体系做了详细研究现状分析。期望对采用选区激光熔化技术制备CoCrFeNi-X体系高熵合金的实验研究和工业应用提供一定的理论指导。     

金属增材制造的微观组织特征对其抗腐蚀行为影响的研究进展

金属增材制造是增材制造技术中最重要的分支,其成形零件复杂度高,力学性能高于一般铸件,已经被广泛应用于航天航空、医疗、能源等领域。在目前主流金属增材制造过程中,主要使用高能束熔化金属粉体,从而造成极高的材料过冷度,虽然过冷细化晶粒与特殊析出相会提高材料的力学性能,但是学术界与工业界对金属增材制造制件在服役过程中的腐蚀性能仍然存在疑问,亟需关于高能束金属增材制造制件的抗腐蚀性能系统性研究综述。因此,本文就三种常用的金属增材制造技术,对目前金属增材制造工件的腐蚀性能相关研究进展进行总结和归纳,深入研究了打印产品中的残余应力、晶粒尺寸、析出相和各向异性等影响抗腐蚀性能的行为,分析了参数优化及热处理工艺提高材料抗腐蚀性能的机理。最后对金属增材制造的抗腐蚀性能的改善手段进行了展望。      

基于钛合金丝材的增材制造技术研究进展

金属增材制造技术自诞生以来,经快速发展,已在诸多领域得到了广泛的应用,被列入决定未来经济的十二大颠覆性技术之一。基于丝材的金属增材制造技术由于其沉积效率高、制造成本低、制造周期短和材料利用率高,近年来成为国内外研究和应用的热点。本文以钛合金丝材为原材料,针对广泛采用的电弧/等离子弧熔丝、电子束熔丝和激光熔丝增材制造技术,分别从成形工艺参数优化、宏微观组织结构分析、后热处理组织性能调控及专用原材料开发等方面所取得的最新研究成果进行了详细论述。在此基础之上,介绍了基于钛合金丝材的增材制造在工程化应用及相关标准规范的制定情况。最后,指出钛合金丝材增材制造技术在组织和性能等方面存在的固有不足,提出了采用锻造+增材复合成形复合后处理和专用丝材研制等方法,并建立有别于传统锻造和铸造的新标准体系,有助于推广其在各领域的大规模应用。     

Effect of Hot Isostatic Pressing on Fatigue Properties of Laser Melting Deposited AerMet100 Steel

The ultra-high strength steel AerMet100 was fabricated by laser melting deposition (LMD) process. The effect of hot isostatic pressing (HIP) on high-cycle fatigue properties of the LMD AerMet100 steel was investigated, and the influence of defects on fatigue behavior was discussed. Results showed that the LMD AerMet100 steel had fine directionally solidified cellular-dendrite structure and coarse columnar prior austenite grains. Metallurgical defects such as gas pore and lack-of-fusion porosity were produced during the laser deposition process. After HIP treatment, the number and size of metallurgical defects had remarkably decreased. Moreover, high-cycle fatigue properties of the alloys after HIP treatment were superior to the as-deposited alloys.     

预热下激光沉积TA15/GH4169梯度结构各梯度层组织及性能研究

在预热400℃的锻态TA15合金基材上,应用激光沉积制造技术制备了具有3层梯度层的TA15/GH4169梯度结构,研究了GH4169含量对各梯度层组织与性能的影响。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能量色散谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计、摩擦磨损试验机对沉积样件进行了显微组织观察、元素分布检测、物相检测、显微硬度与室温耐磨性能分析。研究表明,所制备的沉积试样无宏观裂纹缺陷且组织致密。沉积态TA15侧组织为贯穿多个沉积层的β柱状晶组织,晶内为典型的网篮组织,GH4169侧为沿沉积方向生长的柱状晶组织,枝晶间析出不规则的Laves相,过渡区内形成了两相固溶体和脆性金属间化合物(Ti₂Ni,TiNi₃)。各梯度层随GH4169含量的增加,显微硬度和耐磨性能均不断提高,25%TA15性能最好,其硬度和摩擦系数分别为HV_0.2537和0.33,较100%TA15梯度层硬度值提高了97%,摩擦系数降低了72%。本研究将为最终成形TA15/GH4169梯度复合结构提供参考依据。     

激光选区熔化Ti6Al4V合金的工艺参数优化

孔洞、未熔粉、裂纹是在激光选区熔化制备试样过程中常见的缺陷,迄今为止,大量研究均集中在减少缺陷上,关于工艺参数对缺陷影响的研究较少。本文系统研究了工艺参数对激光选区熔化Ti6Al4V合金相对密度、表面粗糙度、力学性能的影响。结果表明,低激光功率、高扫描速度和高层厚将会引起不充分的粉末熔化以及球化效应。最佳工艺参数为激光功率200 W,扫描速度500 mm/s,层厚10 μm,扫描间距105 μm。在该参数下,试样的抗拉强度1077 MPa,屈服强度907 MPa。     

Numerical Simulation of Transport Phenomena for a Double-Layer Laser Powder Deposition of Single-Crystal Superalloy

A turbine blade made of single-crystal superalloys has been commonly used in gas turbine and aero engines. As an effective repair technology, laser powder deposition has been implemented to restore the worn turbine blade tips with a near-net shape capability and highly controllable solidified microstructure. Successful blade repair technology for single-crystal alloys requires a continuous epitaxial grain growth in the same direction of the crystalline orientation of the substrate material to the newly deposited layers. This work presents a three-dimensional numerical model to simulate the transport phenomena for a multilayer coaxial laser powder deposition process. Nickel-based single-crystal superalloy Rene N5 powder is deposited on a directional solidified substrate made of nickel-based directional-solidified alloy GTD 111 to verify the simulation results. The effects of processing parameters including laser power, scanning speed, and powder feeding rate on the resultant temperature field, fluid velocity field, molten pool geometric sizes, and the successive layer remelting ratios are studied. Numerical simulation results show that the maximum temperature of molten pool increases over layers due to the reduced heat dissipation capacity of the deposited geometry, which results in an increased molten pool size and fluid flow velocity at the successive deposited layer. The deposited bead geometry agrees well between the simulation and the experimental results. A large part of the first deposition layer, up to 85 pct of bead height, can be remelted during the deposition of the second layer. The increase of scanning speed decreases the ratio of G/V (temperature gradient/solidification velocity), leading to an increased height ratio of the misoriented grain near the top surface of the previous deposited layer. It is shown that the processing parameters used in the simulation and experiment can produce a remelting ratio R larger than the misoriented grain height ratio S, which enables remelting of all the misoriented grains and guarantees a continuous growth of the substrate directional-solidified crystalline orientation during the multilayer deposition of single-crystal alloys.