单胞构型和结构参数对SLM成形梯度点阵结构压缩性能的影响

梯度点阵结构由于压缩时具有优秀的吸能能力,目前常作为吸能组件被应用于航天、国防和医疗等领域。但随着现代工业的发展,工程领域对其压缩性能提出了更高的要求,为使其进一步优化,有必要探讨单胞构型、结构参数和压缩性能之间的关系。因此本研究通过选区激光熔化(Selective laser melting, SLM)成形了两种梯度差的AlSi10Mg变杆径梯度体心立方(Body-centered cubic, BCC)和金刚石(Diamond, Diam)结构,以研究梯度差对压缩性能的影响,并对两种单胞构型进行对比。准静态单轴压缩实验和有限元分析(Finite element analysis, FEA)的结果表明,在同相对密度下,当单胞构型相同时,随着梯度差的增加单位体积吸能量明显增加。而梯度差相同时,Diam梯度点阵结构的压缩模量、屈服强度、抗压强度和最大峰值应力均高于BCC,同时其单位体积吸能量和吸能效率也高于BCC。     

多孔件TC4选区激光熔化成形及力学性能分析

采用选区激光熔化成形技术制备了两种钛合金体心立方多孔结构(BCC和BCC-Z)制件,验证了其成形复杂孔制件的可行性;进行了静态压缩试验,结果表明制件沿近45°方向断裂;压缩试验应力应变曲线表明多孔件使材料抗拉强度大大减小,且随着边径比和孔隙率的增大,峰值应力减小。同时,在边径比和孔隙率相差不大的情况下,BCC-Z结构承受载荷的能力明显高于BCC结构;通过有限元模拟分析了BCC制件在压缩过程中的应力分布情况,针对单元体节点处的应力集中现象,提出了节点加固方法。同时预测了多孔制件的弹性模量和屈服强度,模拟与试验结果基本吻合。     

选区激光熔化专用AlSiMg合金成分设计及力学性能

应用"团簇+连接原子"模型,基于合金液-固局域结构相容性和金属选区激光熔化(SLM)工艺熔体急冷的技术特性,设计高Mg含量SLM专用AlSiMg1.5合金新成分,系统研究时效温度和时间对SLM成形AlSiMg1.5合金显微组织和力学性能的影响。结果表明,通过调整工艺参数,可获得近乎全致密的SLM成形样品。当时效温度为300℃时,随着时效时间的延长,SLM成形样品岛状富Al组织中过固溶Si逐渐析出长大,网格状富Si组织逐渐分解球化,样品的硬度和压缩屈服强度逐渐降低,塑性明显增加。当时效温度为150℃时,不同时效时间下SLM成形样品的显微组织没有发生明显变化,但硬度和屈服强度随时效时间的延长先增大后略有降低。SLM成形AlSiMg1.5样品经150℃时效处理后的最大显微硬度和压缩屈服强度分别为(169±1) HV和(453±4) MPa,样品延伸率超过25%。本工作设计获得了成形性和力学性能优异的SLM专用铝合金新成分Al91.0Si7.5Mg1.5(质量分数,%)。     

增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展

增材制造技术成形Ti-6Al-4V点阵材料具有高强度、低密度、生物相容性好的性能特点,在航空航天、生物医疗、海洋等领域具有极大应用潜力。本文概述了近年来增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的研究进展,重点对选区激光熔化(SLM)和电子束选区熔化(SEBM)技术成形点阵材料的力学性能、失效行为、微观组织进行分析与总结。研究发现,SLM和SEBM技术均可获得保留原始结构特征的点阵材料,且增材制造骨骼型Diamond 极小曲面Ti-6Al-4V点阵材料抗压强度可达到411.71 MPa,屈服强度达到317.48 MPa,强度可与镁合金相媲美；点阵材料失效行为主要有45°剪切断裂以及水平断裂,剪切断裂型点阵材料强度较高,在承载方面具有独特优势,而呈水平方向断裂的点阵材料多为梯度型点阵材料,其应力应变曲线波动范围较小,在能量吸收能力方面表现出明显的优势；热处理可有效消除增材制造过程中带来的残余应力、降低粗糙度、转变亚稳、针状α"马氏体为α+β相,进而增加点阵材料的塑性,且不降低甚至提高部分Ti-6Al-4V点阵材料的强度。最后,对增材制造Ti-6Al-4V点阵材料的现存弊端以及未来发展趋势进行了展望。     

选区激光熔化Al-Mg-Sc-Zr合金成形性及力学性能研究

通过选区激光熔化(SLM)技术制备Al-Mg-Sc-Zr铝合金，系统研究了不同工艺参数对铝合金粉末成形性以及不同时效处理条件对SLM成形样品组织和力学性能的影响。结果表明，在高激光功率和低激光扫描速度下，SLM成形样品的致密度较高。沿样品沉积方向可观察到熔池层层堆叠的显微组织，熔池边界和熔池内部均存在细小纳米颗粒。经不同温度时效处理后，样品的硬度和压缩屈服强度先增加后降低。SLM成形样品经400℃时效处理3 h后屈服强度达到最大值469±4 MPa。     

新淬火状态2B06铝合金板塑性成形各向异性行为研究

通过与轧制轴成0°、45°和90°方向的单向拉伸试验,研究了2B06铝合金板O态和W态(新淬火态)下材料的强度各向异性(3个方向屈服强度的变化)和塑性流动各向异性(3个方向厚向异性指数的变化)行为。发现,虽然屈服强度和应变硬化受热处理状态影响显著,但强度各向异性和塑性流动各向异性受热处理状态影响较小,均在试验数据分散范围之内。获取的试验数据被用来校准Hill48屈服准则。通过绘制的屈服轨迹发现,对于W态可以采用与O态相同的屈服面形状来描述其材料塑性各向异性行为,这样将显著减少W态下本构模型校准需要的试验数。     

挤压态AZ31镁合金温热拉伸性能的各向异性EI北大核心CSCD

采用单向拉伸实验研究温热条件下挤压态AZ31镁合金板材5个不同方向的力学性能、显微组织、断口形貌。结果表明:挤压态镁合金力学性能具有明显的各向异性,170℃时,各向异性最明显,随着拉伸方向与挤压方向所呈角度的增大,抗拉强度从217 MPa增大到271 MPa,屈服强度却从174 MPa减小到71 MPa。镁合金在温热条件下变形机制为{1012}拉伸孪生、{1011}压缩孪生和{0001}基面滑移;沿着不同角度拉伸时,变形机制有所不同。拉伸方向与挤压方向的角度小于45°时,挤压态镁合金表现为微孔聚集型的韧性断裂;且随着角度的增大,表现为韧-脆混合断裂,其中角度为67.5°时,镁合金以解理方式断裂。     

准静态加载下时效态Inconel 718薄板的各向异性屈服准则及硬化模型构建

当金属件的特征尺寸缩小到微尺度时,会产生尺寸效应,从而使对微成形的理解变得复杂。本文以0.1mm厚的时效态Inconel 718薄板为研究对象,对其进行了力学性能测试。基于力学测试数据,探究了时效态Inconel 718薄板在相同应变速率、不同拉伸方向上各向异性、延伸率、屈服强度及最大抗拉强度的变化规律,并建立了介微观尺度下各向异性及屈服强度的预测模型和考虑应变量及应变速率的准静态硬化模型。结果表明：时效态Inconel 718薄板具有明显的各向异性,其延伸率以45°为极值点呈现先增大后减小的变化规律,屈服强度和最大抗拉强度的变化规律与之相反。由于尺寸效应的存在需要两组不同的材料参数对各向异性及屈服强度进行预测。当应变速率大于0.1 s_^-1时,材料屈服强度表现出明显的应变速率敏感性,该硬化模型不再适用。     

挤压态AZ31镁合金温热拉伸性能的各向异性

采用单向拉伸实验研究温热条件下挤压态AZ31镁合金板材5个不同方向的力学性能、显微组织、断口形貌。结果表明:挤压态镁合金力学性能具有明显的各向异性,170℃时,各向异性最明显,随着拉伸方向与挤压方向所呈角度的增大,抗拉强度从217 MPa增大到271 MPa,屈服强度却从174 MPa减小到71 MPa。镁合金在温热条件下变形机制为{1012}拉伸孪生、{1011}压缩孪生和{0001}基面a滑移;沿着不同角度拉伸时,变形机制有所不同。拉伸方向与挤压方向的角度小于45°时,挤压态镁合金表现为微孔聚集型的韧性断裂;且随着角度的增大,表现为韧-脆混合断裂,其中角度为67.5°时,镁合金以解理方式断裂。     

模芯角度对镁合金静液挤压过程的作用

文章通过DEFORM-3D软件模拟了不同的挤压速度与初始坯料温度条件下,模芯的角度（90°, 120°, 150°）对管材静液挤压成形过程的影响。模拟结果显示,静液挤压过程中大角度模芯的压力峰值明显高于小角度模芯的压力峰值,同时随着模芯角度的增大管材的速度场分布不均性增加。     

选区激光熔化成形316L不锈钢多孔结构及力学性能

基于选区激光熔化技术(SLM),制备了BCC、FCC、FCCZ 3种不同拓扑单元的316L不锈钢多孔结构,验证了该技术成形复杂多孔结构件的可行性。对试样进行了准静态压缩试验,得到了多孔结构在压缩过程中的变形模式和力学响应曲线,对比分析了3种结构试样的力学性能。结果表明,FCCZ型多孔结构的抗压性能和能量吸收特性均优于BCC型和FCC型结构;利用ABAQUS/Explicit软件进行准静态压缩仿真,仿真结果和试验结果基本符合。     

3D打印轻质高强钨材的力学性能研究

采用选择性激光熔化（SLM）3D打印方式成功设计和制造了具有点阵结构的钨材，结合有限元分析、扫描电镜、准静态单轴压缩试验探究了不同点阵结构下钨材力学性能的变化规律，分析了微观组织对力学性能的影响。结果表明圆弧型点阵结构可有效降低节点处的应力集中，保持点阵结构轻质、低孔隙率特性同时还维持着钨材的高强度力学性能，平均抗压强度达到535MPa，平均质量仅为1.25g，激光打印后圆弧点阵较立方点阵平均抗压强度提升93%，其中体心圆弧点阵（BCA）显示出更优抗压性能，极限抗压强度达到721MPa，结构致密度为理论值12.8%；力学性能指标接近于变形态。与立方点阵相比，圆弧点阵具有良好的能力吸收特性，后者相较前者总能量吸收值提升223%，圆弧点阵平均能量吸收达到1664J/cm3。此外，SEM图像显示圆弧点阵因其弧形特性，减少了打印中斜支柱的悬挂距离，成型效果优于立方点阵。     

激光增材制造Ti6Al4V点阵结构的抗压吸能特性

人体骨骼受到碰撞后的断裂过程伴随着能量吸收,多孔骨植入体的设计需考虑结构的抗压吸能特性。在空间尺寸(20 mm×20 mm×30 mm)内,通过拓扑优化设计和激光增材制造技术制备不同胞元尺寸和相对密度的Ti6Al4V点阵结构,采用熔池监控、单向压缩实验和有限元仿真方法,探究了点阵结构的表面质量、断裂形变规律和吸能特性。结果表明,点阵结构的结构参数受熔池温度场和粉末支持力的影响;点阵结构的抗压行为遵循弹脆性变化规律,断裂带与制造方向呈45度;点阵结构的断裂机制为韧性断裂,裂纹沿内部微孔洞分布方向扩展;能量吸收能力与相对密度成正比关系,与胞元尺寸成反比;能量吸收效率与相对密度成反比,与胞元尺寸均成正比关系。     

Microstructure and properties of AlSi7Mg alloy fabricated by selective laser melting

The AlSi7Mg alloy was fabricated by selective laser melting (SLM), and its microstructure and properties at different building directions after heat treatment were analyzed. Results show that the microstructure of SLM AlSi7Mg samples containes three zones:fine grain zone, coarse grain zone, and heat affected zone. The fine-grain regions locate inside the molten pool, and the grains are equiaxed. The coarse-grain regions locate in the overlap of molten pools. After T6 treatment, the microstructure at the molten pool boundary is still the network eutectic Si, but the network structure becomes discrete, and is composed of intermittent, chain-like eutectic Si particles. The yield strength at three directions (xy, 45°, z direction) of the AlSi7Mg alloy samples fabricated by SLM is improved after T6 heat treatment. The fracture mechanism of the samples is a mixed ductile and brittle fracture before heat treatment and ductile fracture after heat treatment.     

基于第一性原理计算V元素对高熵合金Al0.4Co0.5VxFeNi的组织及性能影响

采用第一性密度泛函理论,结合虚拟晶体近似（VCA）的方法建立晶体结构模型,开展高熵合金Al0.4Co0.5Vx FeNi的结构性能、弹性性能及基态能量计算。根据能量最低原理可确定,Al0.4Co0.5Vx FeNi高熵合金的最优K-point值为12×12×12,截断能为1000 eV。计算结果表明：Al0.4Co0.5Vx FeNi系高熵合金均可生成fcc+bcc结构,fcc的力学稳定性明显优于bcc的力学稳定性。V元素含量由0.2增至0.8时,bcc点阵常数降低约4%,fcc晶格常数降低约6%。随着V元素的增加,Al0.4Co0.5Vx FeNi合金的体模量、剪切模量逐渐减小。V元素含量为0.8时,bcc结构的泊松比异常增加,进一步说明了随着V元素含量的增加,材料的塑性变形能力降低,材料的脆性增加。经试验验证,Al0.4Co0.5Vx FeNi系高熵合金均由fcc和bcc组成,组织形貌均为两相组织;V元素含量由0.2升至0.8时,延伸率降低约85%,该试验结果与第一性原理计算的结果较为吻合。     

Effect of grit blasting and spraying angle on the adhesion strength of a plasma-sprayed coating

A study of the effects of grit-blasting and plasma-spraying angles on the adhesion strength of an alloy (Tribaloy 800) that was plasma sprayed on a titanium-base alloy is reported. Five different spray and grit-blast angles were investigated: 45°, 55°, 65°, 75°, and 90°. The surface texture in different directions was characterized by the classic average roughness and by a fractal analysis number using a two-dimensional fractal analysis method. The grit residue was measured by an x-ray spectrometer. The study showed that the maximum adhesion strength was close to a 90° blasting and spraying angle. However, the grit residue reaches its maximum at a 75° blasting angle. From the image analysis of the interface in different directions, it was found that the nonperpendicular grit blasting produces an anisotropic surface. The fractal analysis method showed a rather good correlation with the blasting angle. However, no good correlation between the fractal number and the adhesion strength was found.     

Effect of aging temperature on microstructure and properties of AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy

The microstructure and compressive properties of AlCoCrCuFeNi high-entropy alloy aged at temperatures ranging from 500 to 1000 °C were investigated. The BCC and FCC phase structures remain unchanged after aging the AlCoCrCuFeNi alloy at temperatures below 645 °C. Aging the alloy at elevated temperature causes the structure gradually to transform from stabilized BCC to FCC. Also, as the aging temperature increases, the yield strength of the material decreases but plastic strain increases. When the alloy was aged at 1000 °C, the plastic strain even reaches 27%.     

SLM NiTi记忆合金BCC点阵结构的吸能特性研究

通过选区激光熔化（SLM）技术制备了不同体积分数的NiTi记忆合金BCC点阵结构（基于CAD及基于三周期极小曲面TPMS）,分析了失效前的压缩响应,研究了体积分数、单元构型和微观组织对能量吸收的影响。结果表明：NiTi BCC点阵（体积分数5 %~25 %）在压缩至损伤前具有优秀的比能量吸收（0.45~1.89 J/g）,卸载后加热可恢复至92 %以上;体积分数及单元构型对NiTi BCC点阵的压缩响应有重要影响;体积分数小于15 %时,CAD样品具有更长可压缩应变,比能量吸收更好;体积分数大于15 %时,TPMS样品具有更高压缩应力,比能量吸收更好;SLM过程中的阶梯效应导致了点阵支杆的下表面与内部具有不同的材料组织,下表面处熔池条纹更深更宽且晶粒更加粗大;材料异质性导致了相对较差的机械性能,不利于能量吸收;由于受载下应力集中位置及异质比例的不同,该材料异质性对低体积分数的TPMS样品的不利影响更大。     

Selective Laser Melting of Carbon-Free Mar-M509 Co-Based Superalloy: Microstructure,Micro-Cracks,and Mechanical Anisotropy

In this work, the microstructural evolution, micro-crack formation, and mechanical anisotropy of the selective laser melted (SLM) carbon-free Mar-M509 Co-based superalloy were systematically studied under different linear energy densities (LED). Observation shows that the SLM Mar-M509 superalloy possesses a fully dense structure, whereas some micro-cracks exist along the building direction. The electron backscatter diffraction results reveal that dominant columnar grains tend to elongate along the building direction parallel to the XZ plane. Meanwhile, both a < 001 > near fiber texture and a {100} < 001 > near sheet texture are observed in different specimens. For the specimen with fiber texture, a high misorientation angle exists among different columnar grains, which aggravated the generation of micro-cracks under thermal stress. Higher LED results in higher micro-crack density in the SLM specimen due to higher thermal stress. Mar-M509 specimen fabricated under lower LED exhibits higher tensile strength due to more significant grain refinement. More prominent anisotropy of tensile performance was found in the high LED specimen, which can be attributed to the higher density of micro-cracks and crystallographic texture. Furthermore, the SLM Mar-M509 superalloy exhibits better mechanical properties than the traditional cast technique. In summary, this work can contribute to the development and the future application of SLM-fabricated Co-based superalloy.