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。     

硬质合金粉末挤出打印中增材制造工艺及其显微结构

粉末挤出打印(PEP)是基于传统金属注塑成型和3D打印相结合的新型增材制造技术,具有打印材料范围广、打印成本低等巨大优势。以WC-13Co硬质合金的PEP增材制造为核心,以热塑性打印材料为重点研究对象,开发打印原料的材料体系,研究打印原料的均匀性、流变性能、成形性能、黏结剂的脱除工艺以及烧结工艺对打印件显微结构及力学性能的影响机制。独立开发了硬质合金PEP打印专用的有机黏结剂材料体系,通过EDS分析黏结剂在打印坯体中分散均匀性。采用两步法脱脂工艺可以完全脱除打印坯体中的黏结剂,并结合真空烧结,在1450 ℃下保温60 min,成功制备高性能硬质合金打印件。研究结果发现打印件线收缩率为17.8%,WC晶粒尺寸分布均匀,维氏硬度1410HV₃₀。本研究采用PEP增材制造技术制备了高性能、打印件尺寸可控的硬质合金材料,为硬质合金的增材制造探索出一条有效的技术路线。     

初始原料和球磨气氛对ODS铁素体钢机械合金化的影响

分别采用纯金属粉和氮气雾化预合金粉作为机械合金化的初始原料,对它在球磨过程中的合金化效果、粉末形貌、粒度分布和过量氧含量的影响进行对比.结果表明:当使用雾化合金粉作为初始原料,球磨后合金元素的分布比采用纯金属粉为原料更加均匀.使用高纯氩气作为保护气氛比真空球磨更能有效减少合金粉末中的过量氧含量.     

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。     

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.     

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.     

高熵合金增材制造研究现状与展望

高熵合金是一种新型合金,与传统合金以一种或两种元素为主添加其他元素为辅的设计不同,高熵合金由等原子比或者近等原子比的多种元素组成。高熵合金拥有许多优异的性能,如高强度,高硬度,热稳定性、耐辐照性和耐蚀性,其潜在的工程应用价值引起了人们的广泛关注。目前,电弧熔炼、机械合金化和粉末冶金法是制备高熵合金最主要的方法,但其冷却速率不高,很难制备出具有简单固溶体结构的高熵合金。此外,合金体系一般含有较多价格昂贵的金属元素,电弧熔炼制备块体合金存在成本较高的问题,而机械合金化和粉末冶金法在制备过程中易使合金成分受到污染,这些问题都会限制高熵合金的应用与发展。而先进的增材制造技术(Additive manufacturing,AM)能够有效解决上述问题。如制备过程中无需模具就可以制备出形状复杂的工件;极快的冷却速度,可以得到超细的组织,同时也可以改善元素分布的均匀性,进而提高工件的综合力学性能。因此,高熵合金增材制造在晶粒细化及构件形状复杂度方面拥有不可比拟的优势。本文综述了增材制造高熵合金的研究现状,归纳了增材制造高熵合金的组织结构与性能特点,总结了高熵合金增材制造过程中的缺陷控制与处理工艺,并展望了增材制造高熵合金的进一步发展。     

钴基高温合金增材制造研究现状及展望

钴基高温合金是一种在高温下具有高强度、良好的耐热、耐磨和耐腐蚀性能的材料,被广泛用于航空航天等领域。钴基高温合金增材制造技术具有材料利用率高、制造周期短和能够制造较为复杂零件等优点,相对于传统制造技术有巨大的优势,受到了社会的广泛关注。对钴基高温合金的合金化原理进行了阐述,总结了国内外钴基高温合金增材制造所使用的不同工艺方法,重点对钴基激光增材制造技术、钴基电子束激光增材制造技术进行了分析,综述了各种方法的研究现状和最新成果。评价了钴基高温合金增材制造技术在材料利用率、内部缺陷、成形精度、相关标准化方面的不足,并对钴基高温合金增材制造技术发展方向提出了预测。     

EIGA法制备TA17合金粉末的激光增材适应性研究

TA17合金是一种已在核电领域实现工程应用的高性能钛合金,而关于TA17合金粉末性能及其增材制造样件性能相关的研究报道均较为匮乏.本文利用电极感应熔炼气雾化法(EIGA)法制备了10 ～ 61 μm和106 ～160μm两种粒度规格的TA17合金粉末,并分别对其在激光选区熔化(SLM)和激光立体成型(LSF)两种技术下的成形组织与力学性能进行了研究,对该粉末在不同工艺条件下的激光增材适应性进行了分析.结果 表明:EIGA法制备的TA17合金粉末具有良好的表面形貌和球形度;利用10 ～61 μm粒度规格粉末制备的SLM试件以及利用106 ～160 μm粒度规格粉末制备的LSF试件均具有均匀的微观组织,未见孔洞等明显缺陷,且其室温拉伸强度超过680 MPa,冲击吸收功KU2超过71 J,激光增材试验件的组织及力学性能均满足TA17合金锻件标准要求.本研究为TA17合金增材制造技术在核动力领域的应用奠定了基础.     

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。     

高熵合金增材制造研究进展

基于不同的高熵合金(high-entropy alloys,HEAs)体系,综述了增材制造高熵合金的最新研究进展,阐述了不同成分高熵合金增材制造的快速凝固微观组织、偏析和析出行为,着重分析了增材制造高熵合金的力学性能、变形及强化机理.指出不同的高熵合金体系应选择适合的增材制造工艺,并且成型质量的影响因素还有待进一步研究,最后提出利用增材制造技术可以研发和制备出具有优异强度-塑性组合的高熵合金.     

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。     

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。     

镍基高温合金增材制造研究进展EICSCD

镍基高温合金因其优异的高温强度及耐腐蚀、抗氧化性能而备受关注,被广泛应用于航空航天等领域。本文对增材制造镍基高温合金的制备方法、常见牌号以及合金的组织与性能进行了综述,总结了当前存在的问题,提出了未来值得探索的研究领域。金属增材制造技术制备的镍基高温合金具有良好性能,能实现复杂构件精密成形,且制备过程中材料浪费少,有望成为未来航空航天等领域中镍基高温合金构件的重要制备工艺。常见的镍基高温合金增材制造方法有粉末床熔化、定向能量沉积和电弧增材制造等,粉末床熔化被广泛用于制造高精度和复杂零件,但制造速度相对较慢,且设备和材料成本较高。定向能量沉积自由度和灵活性更高,可用于制备功能性梯度材料,但精度较低。电弧增材制造具有较低的设备成本和材料成本,适用于大型零件的快速制造,但其制备的合金表面粗糙度较差,需要进行额外的加工或后处理。在增材制造过程中被广泛研究的镍基高温合金包含IN625,Hastelloy X等固溶强化型和IN718,CM247LC,IN738LC等沉淀强化型高温合金。与传统的铸造和锻造方法相比,增材制造独特的逐层成型、快冷快热的制备过程带来了粗大的柱状晶粒组织和大量细小晶粒的独特微观组织,还形成了独特的熔池组织及位错胞结构。但是,通过增材制造得到的合金一般还需要进行热处理,对晶粒组织、析出相等进行调控,从而影响合金的力学性能。此外,增材制造镍基高温合金的力学性能还与具体制备方法和合金种类有关。尽管目前增材制造已被广泛用于镍基高温合金的制备,但仍面临组织与性能存在各向异性、高性能合金开裂敏感性高以及缺乏相应的规范和标准等问题,将来需要在热处理、专用合金的定制与开发、探索工艺-结构-功能关系以及计算建模等方面深入探索。     

增材制造AlCoCrFeNi2.1共晶高熵合金研究进展

AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金具备细小、均匀、规则的片层结构,在较宽的温度(70～1000 K)和成分偏差范围内均具备良好的组织结构和强塑性兼备的力学性能,因而成为目前研究最为广泛的共晶高熵合金。本文针对增材制造AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金,综述了不同工艺和工艺参数对该合金的微观组织和力学性能的影响,重点阐述了选区激光熔化技术制备AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金的相分布、微观组织和强化机制。最后,指出当前增材制造AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金相形成机理及组织演化过程中存在的分歧和不足,并提出以AlCoCrFeNi_2.1共晶高熵合金为基体的材料改性、增材制造高熵合金新工艺研究开发等发展方向,为推动该合金的工业化应用提供思路。     

铁/镍元素粉末的选区激光熔化过程扩散动力学研究

异质粉末3D打印,即采用纯元素或简单合金粉末混合进行3D打印,可以省略冶炼和制粉流程,在打印中直接完成冶金过程,相比传统基于均质金属粉末的3D打印,该法流程缩短、粉末种类减少,具有重要的发展价值。本文针对选区激光熔化(SLM)打印过程,提出了异质金属粉末直接3D打印冶金的技术原理,并以Fe基合金为例分析了各类元素的扩散动力学。计算表明,通过提高SLM脉冲峰值温度、延长熔态时长、减小合金粉末粒径、增加后续高温热处理等方法可以大幅提高打印过程中的元素扩散效率,实现成分均匀化。SEM和EDS实验结果显示,提高SLM脉冲峰值温度、延长熔态时长能有效提高扩散效率,与计算结果吻合。     

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。     

粉体性能及选区激光熔化打印工艺对AlSi10Mg合金致密化行为的影响

本研究重点探索了AlSi10Mg合金的粉体性能以及选区激光熔化(SLM)打印工艺对AlSi10Mg合金粉体致密化行为的影响。通过对两种粒度组成不同的球形AlSi10Mg合金粉体在选区激光熔化(SLM)工艺过程中致密化行为的研究,发现AlSi10Mg粉体粒度组成对SLM打印过程中的致密化程度有关键性影响:粗粉含量较高,更有利于较高致密度的SLM打印件的制备。通过选取上述两种粉体中SLM打印性能较高的AlSi10Mg粉体,采用Box-Behnken响应曲面实验设计系统探索了SLM工艺参数对打印件致密度的影响规律,获得了SLM打印工艺参数与打印件相对密度的定量关系模型。研究发现,SLM打印参数中对AlSi10Mg合金相对密度的影响程度从大到小依次为:激光功率、扫描速度、扫描间距;当激光功率为375 W、扫描速度为2 000 mm/s、扫描间距为50μm时,AlSi10Mg打印件的相对密度值可达到98.26%,抗拉强度可达487 MPa。     

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.     

CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金微观组织性能研究

目的研究冷金属过渡技术(Cold metal transfer,简称CMT)增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织成形规律。方法采用CMT电弧增材的方式制备了Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的薄壁试样件,研究了试样件在不同位置、不同方向的微观组织。结果 CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金的微观组织分为3个区域,前3层的不稳定区域主要是由基材树枝晶到柱状晶的转变区域;第3层到最后一层的稳定区域主要是外延生长的柱状晶区;在最后一层靠近空气侧约360μm厚度范围内,出现转向枝晶。交替往复电弧增材的Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金,在每层顶部均会形成转向枝晶,但随后新一层电弧增材的熔池会熔化顶部形成的转向枝晶,最终在微观组织形貌上表现出柱状晶外延生长的形式。结论通过控制合适工艺参数,可以获得致密无缺陷的CMT电弧增材制造Cu-Ni-Al-Mn-Fe铝青铜合金薄壁试样,在试样的稳定区域,微观组织是外延生长的柱状晶,柱状晶的晶界上Al,Ni,Mn元素产生富集现象,质量分数高于平均值。在柱状晶的晶内,Cu元素高于均值,而Al,Ni,Mn元素质量分数均低于均值,这与柱状晶的形核顺序有关。