激光熔化沉积AlSi10Mg温度场对显微组织性能的影响

铝合金激光吸收率低、导热率高,其激光熔化沉积（LMD）显微组织性能受温度场影响大。为分析环形束LMD铝合金熔池温度场及其影响,优化成形质量及成形件性能,采用送气保护式LMD技术,进行了AlSi10Mg铝合金成形实验,系统分析了熔池温度场的形态及其变化,以及温度场对成形质量、孔隙率、显微组织性能的影响机理。结果表明:环形束LMD铝合金熔池温度场总体形态呈开口向扫描方向的“半月牙”状,随着激光功率的增大,温度场形态愈发尖锐,其高温率、温度梯度和平均温度也相应增大。温度场平均温度的提升可增加激光吸收率,粗化显微组织,减小显微硬度,温度场显著影响成形件孔隙率从而改变拉伸性能。最终在平均温度为857.7 ℃时降低孔隙率至2.1%,得到抗拉强度为305.6 MPa,延伸率为5.7%,高出铸件52.5%,为LMD铝合金温度场及显微组织性能控制提供了理论指导。     

激光选区熔化成形TA7 ELI钛合金显微组织及力学性能研究

针对TA7 ELI钛合金开展激光选区熔化(SLM)成形工艺研究，获得激光功率P、扫描速度V对致密度的影响规律，进一步分析激光能量密度对缺陷的影响，并基于最佳成形工艺参数开展显微组织及力学性能分析。研究表明，SLM成形TA7 ELI致密度随激光功率P的升高先增加后降低，随着激光能量密度增加先增加后降低。当激光功率P为280 W、扫描速度V为1 000 mm/s、扫描间距H为120μm、铺粉层厚t为30μm时，成形试样致密度最高为99.89%,此时激光能量密度为78 J/mm³。SLM成形TA7 ELI沿着沉积方向为外延生长柱状晶，垂直沉积方向为等轴晶组织，晶内由平行或交错分布的细小针状α′马氏体组成。TA7 ELI沉积态抗拉强度超过1 050 MPa,延伸率达到15%,拉伸断口均匀密集分布等轴韧窝，表现为典型的韧性断裂特征。     

激光选区熔化成形高性能钛合金微观组织调控与力学性能分析

采用激光选区熔化成形技术制备Ti6Al4V合金试件,通过光学显微镜、扫描电镜和断口形貌分析,系统研究了成形态试样显微组织对力学性能的影响。对比不同打印参数下的微观组织特征,显示沿沉积方向形成β柱状晶,晶内主要分布着针状马氏体α′相,α′相含量越高塑性越差,控制工艺参数可以使针状马氏体α′相原位分解形成α+β相,有利于提高塑性。通过调节激光功率和扫描速度,制备了综合力学性能优异的试件,其抗拉强度达到1 301 MPa,屈服强度达到1 102 MPa,延伸率为7.94%。选区激光熔化成形钛合金经组织调控发生原位分解后,拉伸性能得到提高。     

选区激光熔化成形AlSi10Mg组织与拉伸性能的各向异性研究

采用选区激光熔化(SLM)技术成形了Al Si10Mg合金,研究了该合金的显微组织及室温拉伸性能。结果表明:SLM成形Al Si10Mg合金具有细小的显微组织与较高的室温拉伸性能,且存在明显的各向异性;SLM成形过程中的高冷速显著细化了初生α-Al枝晶,熔池内部及边缘不同的凝固条件不仅使两处α-Al枝晶的尺寸不同,而且决定了α-Al枝晶的生长形态,但整体呈外延生长;结合试样不同取向上枝晶间Al-Si共晶组织的形态及演化规律,揭示了合金组织的各向异性;室温拉伸试样沿沉积方向(纵向)与扫描方向(横向)的强度相当,但延伸率相差近一倍,合金性能的各向异性主要表现在延展性上;拉伸断口SEM形貌特征体现了试样的断裂机理,结合横、纵向试样断口处的韧窝尺寸、Al-Si共晶组织形态、微裂纹形成等因素说明了断裂方式为沿晶断裂;SLM成形Al Si10Mg的组织与性能均优于传统铸件,有利于SLM技术在航空发动机控制系统典型复杂零部件的设计制造中实现工程化应用。     

选区激光熔化成形24CrNiMo合金钢的组织结构与力学性能

采用选区激光熔化(SLM)技术制备了24CrNiMo合金钢件,研究了SLM工艺参数对成形合金钢件显微组织、致密度、硬度及拉伸性能的影响。结果表明:成形合金钢的显微组织由回火马氏体和少量残余奥氏体组成;随着激光功率增大和扫描速度降低,熔池体积增大,冷却速度降低,回火马氏体板条粗化,热影响区变宽,合金钢的硬度降低;同时,成形合金钢内未熔合孔洞减少,致密度增加;当激光功率为320 W、扫描速度为750 mm/s时,合金钢的致密度最高,为99.93%;当激光功率为320 W、扫描速度为950 mm/s时,成形合金钢的拉伸性能最佳,其抗拉强度和屈服强度分别为1362 MPa和1252 MPa,延伸率为16.2%。在合适的激光成形参数下,SLM成形24CrNiMo合金钢的综合力学性能明显优于铸态合金钢。     

AlSi10Mg铝合金选区激光熔化成形缺陷控制和表面质量优化

铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性好等特点,很好地满足航天飞行器轻量化需求。激光选区熔化技术(SLM)成形的铝合金零件综合性能良好,在航天领域应用广泛,但存在成形过程中缺陷不好控制、成形件表面质量较差、后处理工序烦琐等问题。为此,选取AlSi10Mg铝合金,针对SLM成形AlSi10Mg铝合金缺陷消除进行实体工艺优化研究,获得缺陷最少的优化工艺参数,并进一步研究表面粗糙度优化方法。结果表明,通过优化工艺参数(主要包括扫描功率、扫描速度、扫描间距),可以获得较低的孔隙率(9.2%)和较优的内部成形质量;成形件表面质量主要影响因素有表皮扫描功率、扫描速度、扫描间距等,适当提高扫描功率可以获得较好的表面质量。     

激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr合金孔隙缺陷对拉伸性能的影响研究

激光增材制造合金内部存在的孔隙缺陷会对合金的力学性能产生不利影响。为研究激光选区熔化（SLM）成形Al-Mg-Sc-Zr合金中孔隙缺陷对其拉伸性能的影响，通过SLM成形技术制备了Al-Mg-Sc-Zr合金试样，利用X射线计算机断层扫描技术表征了合金内部孔隙缺陷的三维特征，并通过室温拉伸试验获得了合金的拉伸性能。基于SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的孔隙数据及室温拉伸试验结果，建立能够反映材料本构以及孔隙特征的代表体积单元（RVE）模型，在SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金基体保持不变的情况下，通过改变RVE模型中的孔隙率和孔隙尺寸研究孔隙对SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金拉伸性能的影响。计算结果表明：当孔隙率增加时，合金的抗拉强度和弹性模量明显降低；当孔隙尺寸增大时，合金的抗拉强度明显降低，但弹性模量没有明显变化；当孔隙尺寸增大到一定程度（大于100μm）时，孔隙周围会出现明显的应力集中。     

激光选区熔化成形高强Al-Cu-Mg合金研究

利用激光选区熔化(SLM)技术制备了Al-Cu-Mg合金。研究了激光线能量密度对SLM成形试样致密度的影响。在近乎全致密试样的基础上,研究了SLM成形Al-Cu-Mg合金试样的显微组织和力学性能。通过热处理工艺提高了试样的力学性能。研究表明,激光线能量密度为2.4kJ/m时,成形试样的致密度最高,达到99.8%,近乎全致密。成形试样显微组织由极其细小的过饱和胞晶构成。在细晶强化和固溶强化作用下,成形试样的抗拉强度为401 MPa,屈服强度为252 MPa,延伸率为6.5%;T4热处理后,在析出强化的作用下,抗拉强度提升至532MPa,屈服强度提升至338 MPa,延伸率提升至13%。     

选区激光熔化成型316L不锈钢多孔结构的力学性能

为了减轻或消除人工植入体的“应力屏蔽”效应,提高生物相容性,需要对选区激光熔化（SLM）技术成型多孔结构进行力学性能研究。通过制备316L不锈钢体心立方(BCC)、正十二面体（RD)两种多孔结构,分别进行成型件纵向压缩试验,建立了Gibson-Ashby模型,预测了多孔结构弹性模量值。采用分形插值法,分析了孔隙率、平均孔径、比表面积对多孔结构弹性模量和抗压强度的影响程度。分析试验表明,316L不锈钢多孔结构样件在孔隙率为55.13%～94.74%,平均孔径为1.90～4.22 mm,比表面积0.54～4.33时,其弹性模量为0.375 ～1.716 GPa,抗压强度为43.19~160.31 MPa。对比人骨弹性模量0.9 ～1.7 GPa,满足植入体要求。孔隙率、平均孔径、比表面积对正十二面体多孔结构的弹性模量和抗压强度的幅值变化影响较小,对体心立方多孔结构影响较大。正十二面体多孔结构抗压强度为111.75～160.31 MPa,体心立方多孔结构的抗压强度为43.19～158.03 MPa,正十二面体多孔结构的力学性能比体心立方结构性能更好,为选区激光熔化技术制备316L不锈钢多孔结构的人工植入体研究提供依据。     

激光选区熔化成形TiB_2增强S136模具钢

利用激光选区熔化(SLM)工艺成形TiB2/S136复合材料,研究了激光体能量密度η对SLM成形试样致密度、微观组织及力学性能的影响。采用X射线衍射仪、场发射扫描电镜、透射电镜等研究成形试样物相成分、表面形貌及微观组织。结果表明:当η过低时,粉末熔化不完全,形成大量残余孔隙;而当η过高时,受热应力影响,成形试样存在微裂纹。当η=66.7J/mm3时,成形试样表面缺陷少,致密度高达97.3%,存在细化的、分布均匀的等轴晶,其平均显微硬度高达742.4HV0.1,平均摩擦系数和磨损率分别为0.5593和0.272×10-4 mm3·N-1·m-1,耐磨性能优异,抗拉强度达到1051.3 MPa,延伸率为5.84%,塑性较好。因此,SLM成形TiB2/S136复合材料的最佳η为66.7J/mm3,η过高或过低,均会严重影响TiB2/S136复合材料的致密度及力学性能,该研究为SLM成形高性能模具钢材料提供了有益的理论和工艺借鉴。     

激光选区熔化成形S-130钢热处理工艺研究

采用激光选区熔化(SLM)技术成形S-130马氏体时效不锈钢,研究了热处理前后S-130试样的物相、显微组织以及力学性能,并对比分析了五步热处理和三步热处理工艺对组织和性能的影响。结果表明:SLM成形S-130试样主要由大量马氏体和少量残余奥氏体组成,显微组织呈胞状枝晶结构,透射电子显微镜(TEM)观察到大量含有高密度位错的板条马氏体。经过两种热处理后,逆转变奥氏体的形成使得奥氏体的含量增加,大量的纳米级析出物在板条马氏体上弥散分布,同时残余/逆转变奥氏体在马氏体板条间析出。SLM沉积态试样经过两种热处理后显微硬度和拉伸强度得到明显提升,且延伸率没有降低。相较于五步热处理,三步热处理后的试样具有更高含量的奥氏体以及更细小的板条马氏体和析出物,且在保证延伸率的情况下具有更高的显微硬度和拉伸强度。SLM成形S-130马氏体时效不锈钢优化的热处理制度为三步热处理(固溶+冷处理+时效)。     

基于选区激光熔化工艺的低弹性模量多孔材料的研究

依据人体骨骼结构的特点及力学性能要求,基于选区激光熔化工艺使用Ti6Al4V粉末,结合密质骨和松质骨的特点开发低弹性模量的多孔材料。通过与密质骨等密度原则确定的44.92%的孔隙率,并仿制松质骨的多孔结构建立模型,研究了不同能量密度(50 J/mm²、51.8 J/mm²)、不同孔径大小(500μm、1 000μm、1 500μm)对多孔材料相关性能的影响。研究表明,基于前述条件制备的体相多孔材料,成形性较好,孔径均匀可控,孔道贯通,外形尺寸可控;试样的孔隙率随孔径的增大而增大,小孔径下500μm的试样更接近设计的孔隙率参数;随着试样孔径的增大,孔径与抗拉强度成正相关关系,但弹性模量逐渐减小;试样实体部分成形质量较好,拉伸测试断口表明基本不存在裂纹等应力缺陷;各试样均不同程度地出现了熔化后的凝固缩孔,为粉末熔化凝固自然特性;多孔结构均能实现低弹性模量的设计要求,51.8 J/mm²能量密度下成形的试样在孔径500μm下的抗拉强度为70 MPa,弹性模量为18 GPa,更接近人体密质骨的性能。     

激光选区熔化成型CoCrMo多孔结构的设计与性能研究

为获得具备良好力学性能和生物相容性的多孔植入体,需对激光选区熔化(SLM)成型Co Cr Mo多孔结构进行性能分析。在电子万能试验机上沿零件加工的纵向进行压缩试验,应用分形插值理论分析相关参数对其压缩性能的影响。试验结果表明:变形主要以滑移为主;弹性模量和抗压强度随着孔隙率和平均孔径的增大而减小,随表面积体积比的增大而增大。正八面体和正六面体多孔结构孔隙率为55%~84%,平均孔径为0.51~0.99 mm,表面积体积比为2~4.2时,弹性模量都能满足要求。正八面体圆柱形多孔结构的性能比方形结构更加优越,正六面体方形结构的性能比圆柱形结构更好,为激光选区熔化成型多孔Co Cr Mo合金结构医学植入体的研制提供重要依据。     

激光选区熔化成形Al-Mg-Sc-Zr合金的微观组织及力学性能

高强铝合金因其优异的比强度和塑性在航空航天领域得到广泛应用,近年来快速发展的增材制造技术为制备高强铝合金提供了新的方法。为此,利用激光选区熔化（SLM）成形技术制备了Al-Mg-Sc-Zr合金。通过X射线计算机断层扫描技术、光学显微镜、扫描电子显微镜、电子背散射衍射（EBSD）和室温拉伸试验对合金的微观组织和力学性能进行表征和研究。研究结果表明：SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的成形质量较好,孔隙率仅为0.0013%,最大孔隙尺寸为126μm。合金的微观组织分为粗晶区和细晶区,熔池内部为粗晶区,熔池边界为细晶区。熔池边界处的Al3(Sc,Zr)颗粒为Al晶粒析出提供了大量形核位点,使得晶粒细化效果显著。试验得到平均晶粒尺寸为3μm,在更小的EBSD扫描步长下测得细晶区的平均晶粒仅为0.6μm。SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金的拉伸性能优异,各向异性较小。横向试样的拉伸强度略高,其屈服强度、抗拉强度和伸长率分别达到465 MPa、508.2 MPa和14.07%。SLM快速冷却的特性和添入的Sc、Zr元素使SLM成形Al-Mg-Sc-Zr合金拥有良好的成形质量、细化的晶粒组织和纳...     

激光选区熔化成形TC4钛合金热处理后微观组织和力学性能

研究了退火、两相区固溶、固溶时效三种热处理方法对激光选区熔化(SLM)技术成形TC4钛合金微观组织和力学性能的影响。结果表明,在SLM成形TC4钛合金中形成了细针状马氏体组织,几乎不存在β相,强度较高,塑性较差;经过840℃/2h/空冷(AC)退火处理后,TC4钛合金的显微组织由(α+β)相构成,具有较高的强度和塑性;经过940℃/1h/水淬(WQ)固溶处理后,β相的含量增加,晶粒长大,形成交错的(α+β)网篮组织,强度明显下降,塑性提高;经过940℃/1h/WQ+540℃/4h/AC固溶时效处理后,形成了均匀弥散的(α+β)相,α相粗化,强度降低,塑性小幅提高。TC4钛合金经过热处理后,内部残余应力减小,变形开裂倾向降低。采用840℃/2h/AC退火处理工艺,可使SLM成形TC4钛合金获得较佳的强度/塑性匹配。     

激光选区熔化WC 12Co复合材料成形工艺与性能研究

硬质复合材料因拥有高硬度、高强度和耐磨性好的特点,常被用做刀具生产的合金材料。使用激光选区熔化技术,通过改变成形工艺参数激光功率和扫描速度,制备WC 12Co硬质合金样件,研究工艺参数对成形试样致密度、截面金相组织和显微硬度的影响。结果表明：当激光扫描速度值不变时,随着激光功率的增大,成形试样的致密度呈现逐渐增大的趋势;当激光功率值不变时,随着激光扫描速度的增大,成形试样致密度先增大后减小,扫描速度对致密度的影响较为明显;线能量密度值过大或者过小都不利于试样致密度的提高;在激光功率290 W、扫描速度为900 mm/s的最佳参数组合下,得到了致密度为91.392%的WC 12Co试样。通过对工艺参数进行合理匹配设计,为SLM成形WC 12Co应用于实际工业生产提供了理论和工艺实践参考。     

镍基单晶高温合金选区激光熔化成形工艺及组织

采用选区激光熔化(SLM)技术,研究了工艺参数对成形SRR99镍基单晶高温合金裂纹、气孔、显微组织等的影响。结果表明,在激光功率一定的条件下,设置合理的扫描速度、扫描间距、分层厚度可成形高致密度试样。激光体能量密度是影响SRR99合金裂纹和气孔的重要因素。裂纹数量和尺寸随激光体能量密度的增大急剧增加。裂纹大多始于熔覆层的层间交界处,有明显的沿晶开裂特征。激光体能量密度过低时,气孔呈不规则形;随着激光体能量密度增大,气孔形貌向圆形转变。SLM沉积试样组织为微细的枝晶组织,一次枝晶间距随沉积高度的增加略有增大,二次枝晶不发达。     

氧化铝陶瓷激光选区熔化成形实验

采用激光选区熔化技术进行了Al_2O_3粉末和浆料的基础实验研究。实验结果表明,Al_2O_3粉末成形效果较差,而Al_2O_3浆料成形效果较好;激光功率对Al_2O_3浆料试样表面的质量具有重要影响,表面质量随激光功率的增加而不断提高。当激光功率为200 W,扫描速度为90mm/s时,Al_2O_3试样维氏硬度均值约为14.7GPa。     

TiB_2含量对选区激光熔化TiB/Ti-6Al-4V复合材料组织及力学性能的影响

以球磨TiB_2和Ti-6Al-4V混合粉末为原料,采用选区激光熔化(SLM)技术制备了增强相为TiB的钛基复合材料,分析了B元素含量对SLM成形钛基复合材料显微组织和力学性能的影响。研究结果表明:在SLM过程中,TiB_2与Ti元素发生反应生成针状TiB增强相,B元素含量较高的试样中出现了针状增强相聚集的现象;由于B元素的存在,钛基复合材料中的α相明显细化;相比于传统的Ti-6Al-4V合金,TiB/Ti-6Al-4V复合材料的显微硬度、抗拉强度以及屈服强度均有明显改善。钛基复合材料优异的力学性能归因于TiB增强相的硬化、强化效应以及基体的晶粒细化。当B元素的质量分数为0.5%时,α片层的平均尺寸为0.49μm,钛基复合材料的抗拉强度和屈服强度相比于Ti-6Al-4V分别提高了25.7%和30.8%,抗拉强度为1396.4 MPa,屈服强度为1322.2 MPa。     

激光功率对激光熔覆Cu-10Pb-10Sn涂层组织和性能的影响研究

采用激光熔覆技术,在Q235碳钢基材上制备Cu-10Pb-10Sn熔覆层,研究了激光功率对熔覆层孔隙率、金相组织和显微硬度的影响。研究表明,激光功率的变化对铅青铜合金的宏观形貌影响颇大,熔覆层的孔隙率均随着激光功率的增大呈先降低后上升的趋势;熔覆层中的孔洞是由于熔覆材料中的低熔点物质Pb、Sn蒸发成金属蒸气后没有及时逃逸而形成的;熔覆层中的α-Cu(Sn)固溶体和γ-Fe相发生“液相分离”现象,Pb相呈点状弥散分布;熔覆层的显微硬度受激光功率影响较大,最低硬度为104.5 HV,最高硬度为134.4 HV。