摘要：钛及钛合金因其比强度高、耐蚀性好、密度低等性能被广泛用于航空航天、机械制造、生物医疗等领域。特别是在生物医疗领域，钛合金相比于传统316L不锈钢、钴铬合金等，具有相对更低的弹性模量、出色的耐腐蚀性和生物相容性，逐渐受到行业人员的关注。本文基于混合元素法，利用激光定向能量沉积技术成功制备了Ti-18Zr-13Mo(质量分数，%)亚稳β生物钛合金，合金由全β相构成，沉积态弹性模量为73.5 GPa，屈服强度为842.2 MPa，伸长率为20%，性能全面优于临床应用广泛的Ti6Al4V。通过固溶处理，合金弹性模量进一步降低至69.5 GPa。Ti-18Zr-13Mo合金相比于Ti6Al4V合金可以有效减少植入物“应力屏蔽”现象的发生，同时能够提供足够的强度支撑，是一款适用于骨骼植入物的新型亚稳β生物钛合金。

摘要：马氏体是选区激光熔化TC4的常见物相,其分解过程调控对优化成形件性能尤为重要。采用激光扫描SLM-TC4全α′马氏体试样,对沉积态试样施加不同热循环,结合数值模拟分析不同热循环条件下的α′马氏体相变序列,明确了α′→β_(高温)→(α+β)与α′→(α+β)两种转变路径及其组织特征,前者的α相不再具有α′的层级结构,而表现为魏氏集束与网篮组织的混合形态,后者的α相继承了马氏体的晶体取向和层级结构。在第二种转变路径条件下,当热循环温度逼近β转变温度且峰谷温差值较大时,α′马氏体可以在较短时间内依赖孪晶界完成分解,进而形成细小的球化α相,有助于选区激光熔化TC4合金的性能提升。

摘要：在电弧增材制造中,工艺参数之间存在复杂相互作用,难以寻找最优参数组合以获得最佳的成形质量与预期的几何结构。为了加速工艺参数优化过程,在3因素3水平全因素实验的基础上,明确了电流、送丝速度和扫描速度对熔道熔宽、熔高和稀释率的影响规律,建立了神经网络、支持向量机和高斯回归分析模型来预测熔宽、熔高和稀释率。对比分析表明,高斯过程回归模型对熔宽的预测性能最好,神经网络模型对熔高的预测性能最好,支持向量回归对稀释率的预测性能最好。基于这3种机器学习模型,采用多目标遗传算法(NSGA-II),实现了以熔宽和熔高最大、稀释率最小为目标的电弧增材制造多目标优化,最后对优化结果进行了实验验证。

摘要：采用激光增材技术修复了损坏的K465镍基高温合金航空发动机涡轮叶片,研究了激光增材修复K465高温合金的裂纹特征,分析了开裂机理,并采取有效措施实现了裂纹控制。结果表明:激光增材修复K465合金的裂纹产生于热影响区,并沿晶界扩展到修复区中,为液化裂纹;热影响区晶界上的连续液膜来源于晶界上大尺寸γ′相的液化,且晶界液化过程中有γ-γ′共晶出现;利用Ansys软件进行应力场模拟的结果显示,基材及熔池之间存在较大热应力;通过同步预热基材,并采用优化的激光工艺参数,实现了K465高温合金单道多层结构的无裂纹激光增材修复。

摘要：激光立体成形能够实现高性能复杂零件的精确成形,但成形过程中的高温度梯度极易导致残余应力和变形,最终影响构件的几何精度和力学性能。通过搭建基板单边夹持原位热-变形测量系统,探究了多道多层TC4钛合金成形件在激光立体成形过程中基板温度、变形的演化规律,分析了不同扫描策略对构件热应力场的影响。研究结果表明,构件的变形发展受其热历史驱使,扫描策略对成形件的热变形具有显著影响。

摘要：由于7075铝合金主要组成元素的沸点较低、熔体的表面张力梯度较大,加之定向能量沉积(DED)工艺中常用的圆形高斯分布(CG)激光束斑能量分布的不均匀性,导致7075铝合金DED试样的成形质量普遍不佳,这极大限制了7075铝合金DED的进一步应用。通过激光光场模式调控,可以有效改变熔池的温度场、流场及其相应的凝固条件,从而提升激光增材制造试件的成形质量和微观组织的主动控制能力。采用离轴抛物积分镜将CG光场模式匀化为圆形平顶分布(CF)光场模式,并进一步将CF光场模式倾斜以获得横向椭圆平顶分布(TE)光场模式。利用这三种不同的光场模式激光分别制备了7075铝合金DED的单道熔覆、单壁墙及块体试样。结合数值模拟,揭示光场模式对成形质量及凝固组织的影响规律及其内在机理。模拟结果显示,将激光束斑从传统的CG光场模式调制为CF与TE光场模式后,激光在熔覆层表面的热通量均匀性得到显著改善,进而减小了熔体温度梯度,提高了凝固速率。与CG光场模式相比,成形质量方面,CF与TE光场模式下单壁墙和块体试样的表面成形质量得到显著提升,其中单壁墙的宽度变化大幅降低,块体试样水平方向的尺寸精度提高,此外块体试样的致密度分别从95.8%提升至97.2%与97.7%;凝固组织方面,织构得到显著弱化,并且晶粒尺寸减小约50%,同时晶粒内纳米析出相η相的数量也有所增加。

摘要：为减缓激光立体成形过程中由于大的热梯度导致的残余应力和变形,首先采用原位测量监测成形过程中基板的温度及变形演化,并以此校验有限元模型,然后利用校准模型研究不同扫描路径对激光立体成形TC4钛合金构件热-力场演化行为的影响。结果表明:模拟结果与实验吻合良好。最大热梯度和最大拉应力均出现在第一层扫描过程中,温度梯度随沉积层数增加而逐渐减小。长边单向扫描方式下基板的变形量最大,而采用短边往复扫描方式下残余应力和变形最小;采用棋盘格扫描方式能有效减小基板的变形,但不能减小构件的残余应力。另外,基板的横向弯曲变形能有效抑制基板的纵向弯曲,而相变诱导的应力释放对激光立体成形构件的残余应力和变形具有显著的影响。

摘要：激光立体成形已逐渐成为大型高性能复杂铝合金构件制造的一条重要途径。采用具有不同波长的CO_2和YAG激光器在铸态基材上进行了AlSi10Mg合金的激光立体成形,研究了不同激光器对AlSi10Mg合金沉积态和T6热处理态下的微观组织和力学性能的影响。利用XRD、OM和SEM研究了AlSi10Mg合金成形件的微观组织;利用电子拉力试验机测试了AlSi10Mg合金成形件的力学性能。结果表明:相比铸态基材,AlSi10Mg合金沉积态组织主要由取向沿沉积方向外延生长的柱状α-Al枝晶和枝晶间呈纤维或颗粒状生长的Al-Si共晶组成,组织显著细化;且在530℃,3~5 min固溶处理后可实现共晶Si的球化。与CO_2激光相比,采用更短波长的YAG激光进行成形时组织更为细化。经T6热处理后,采用YAG激光成形的AlSi10Mg合金力学性能明显优于压铸铝合金。

摘要：采用低网格各向异性元胞自动机(cellular automaton,CA)模型研究了激光重熔条件下的反常共晶生长机制。为了验证模型的可靠性,建立了二维层片规则共晶CA模型,针对CBr4-C2Cl6共晶合金,模拟了1l O失稳形态向2l O失稳形态转变过程,计算结果与实验、相场模拟结果吻合。模型通过设定含三相(a、b和液相)的界面元胞,使CA模型中a和b相体积分数能够连续变化,从而更易于捕捉二维层片共晶的失稳过程。与相场模拟结果相比,本工作计算得到1l O-2l O失稳形态,即1l O和2l O失稳的中间状态,并与实验结果吻合。在上述二元共晶CA模型基础上,对Ni-Sn合金粉末床激光重熔条件下,熔池底部出现的从规则层片状向非规则反常共晶组织的转变过程进行模拟研究,发现在初始低冷却速率条件下,细小的层片共晶发生失稳,即b-Ni3Sn相超越a-Ni相,形成b-Ni3Sn单相定向生长,在后续加速冷却过程中,固/液界面前沿液相中a-Ni相形核,并发生b-Ni3Sn相包裹a-Ni相生长形成反常共晶组织。激光重熔过程中,由熔池底部到顶部的凝固过程中确实存在一个由凝固速率为零到接近扫描速率的快速变化过程,因此与CA模拟采用的变抽拉速率的凝固条件吻合。

摘要：本文针对激光立体成形过程中的热应力变形问题,首先利用原位测量平台监测了一次沉积和二次沉积单壁墙过程中的温度场和基板变形历史,然后基于测量结果校验了有限元热力耦合模型,最后分析了激光立体成形过程中热-变形的演化规律。结果表明,模拟结果与实验结果相符。随着沉积层数增加高温区面积不断增加,且熔池前沿温度梯度明显大于熔池尾部。相比一次沉积过程,二次沉积过程中熔池温度明显较高,且升温速率更快。另外,初始沉积阶段的高温度梯度和冷却阶段的高冷速是诱导热应力和变形的主要因素。