热加工工艺杂志

热加工工艺杂志2024年第20期

• 激光熔覆视觉监测与熔池图像处理研究综述

  白云, 董泽西, 李忠华, 王艳洋,

  激光熔覆是一种通过粉末熔化沉积来制造或修复金属零件的增材制造技术，是零件修复的重要手段之一。对熔池形貌进行实时监测与闭环控制是当下的研究热点之一。对熔池形貌的实时监测与闭环控制现状进行总结，对熔池图像的处理和熔池信息的提取进行回顾分析，并提出了熔池形貌监测进一步的发展趋势。

• 镁合金电弧增材制造研究进展及展望

  郭阳阳, 李嘉诚, 任凌宝, 羿昌波, 练政希, 李进, 刘章, 郭居魁,

  采用电弧增材制造工艺制备的镁合金零部件具有较好的成型精度和性能，但对比钛合金、铝合金和钢等金属材料，镁合金电弧增材制造的工业应用成熟度仍然较低。通过分析镁合金电弧增材制造组织的形成和演变规律，发掘组织和性能进一步优化的潜力对镁合金等低熔点金属具有重要意义。对镁合金电弧增材制造的冶金过程特征和性能进行了简要论述和总结，梳理了现有的金属电弧增材制造性能提升的工艺特点，并对镁合金电弧增材制造性能的提升方向进行了展望。

• 激光选区熔化成形Inconel 718合金的热处理研究现状

  戴海辉, 卢林, 王涛,

  论述了激光选区熔化（SLM）成形Inconel 718合金的成形原理，介绍了SLM成形Inconel 718合金的残余应力、Nb元素偏析等常见缺陷的形成机理，及热等静压、热处理等工艺对其控制的研究现状。重点归纳了固溶+双时效、均匀化+固溶+双时效的热处理工艺对SLM成形Inconel 718合金的缺陷、组织、力学性能、耐腐蚀性能的影响，并对SLM成形Inconel 718合金的热处理工艺、热处理工艺参数、耐腐蚀性等方面的研究进行了展望。

• 增材制造技术在军事装备保障领域研究现状及展望

  张连重, 张连武, 于月苹, 梁伟杰, 李青宇, 李涤尘,

  增材制造技术应用于装备维修已成为提升装备保障能力的重要途径。增材制造技术以其全数字化制造特点，可在应急时刻快速制造装备急缺备件或修复装备已损伤的零件，战时可形成对现有保障能力的有效补充，大幅提升装备的应急保障能力。从车载增材制造设备、主要工艺、关键技术、平战时特点等方面进行了综述，明确了现阶段增材制造技术在装备维修保障领域的研究现状，并对现阶段战时应用所面临的困难及挑战进行了分析，为增材制造技术在战时装备保障工程化应用提供参考。

• 异质镍基高温合金激光沉积修复开裂机理研究

  曹越, 李长富, 于广滨, 李勇军,

  针对高裂纹敏感性K424镍基高温合金薄壁件难修复现状，采用低裂纹敏感性的GH4169镍基合金粉末在K424高温合金基板上进行激光沉积修复，对过程中产生的裂纹特征和开裂机理进行了研究。结果表明：修复时，裂纹首先在基材的热影响区萌生，然后分别向沉积区和基材内部扩展。这些裂纹呈现出曲折的沿晶界开裂特征，具有典型的液化裂纹形貌。经形貌分析和成分分析发现，晶界上的液膜主要来源于晶界上较大尺寸的在激光作用下未完全熔解的γ'相与γ相发生共晶反应，在热作用下形成液膜。此外，碳化物、硼化物等低熔点相在高温下熔解发生富集，促进了高温下液膜的形成。通过Simufact Welding软件所建立的数值模型验证了修复过程中的应力场和温度场，其中热影响区附近存在较大的应力场，是裂纹形成的驱动力。因此，在热影响区内，晶界上液膜的产生和较大应力的存在为液化裂纹的形成提供了条件。

• 退火处理对电弧增材AZ31镁合金阻尼及力学性能的影响

  战英扬, 范霁康, 倪程, 罗晓宇, 杨东青, 王克鸿,

  为了探索热处理优化电弧增材镁合金阻尼性能的方案，对TIG电弧增材AZ31镁合金进行了去应力退火和完全退火4、5 h处理，并对原始试样和退火后的试样微观组织、阻尼性能和力学性能进行了对比分析。研究表明：与原始增材试样相比，所有退火后的试样在低振幅下的阻尼性能均有所下降，当振幅超过20 μm后阻尼性能有所提升；但去应力退火试样在超过20 μm后的阻尼性能提升较小，完全退火4、5 h试样的阻尼性能相近，均比原始增材试样有所提升，表明退火时长对阻尼性能影响不大。在力学性能方面，去应力退火和完全退火4 h的试样的抗拉强度与原始试样相差不大，完全退火5 h的试样略有下降，去应力退火试样的伸长率与原始试样的伸长率相差不大，但是完全退火试样的伸长率均得到了提升。

• 激光粉末床增材制造模具钢抗热疲劳性能研究

  汪佳, 黄玉山, 佟鑫, 王小健,

  针对增材制造的随形水路压铸模具镶件热疲劳开裂漏水失效问题，采用自约束热疲劳试验对比研究了3种典型增材制造模具钢材料18Ni300、12Cr9Ni和1Cr13的抗热疲劳性能。结果表明：热疲劳裂纹容易在水路内壁凹陷等应力集中部位萌生，向垂直于热应力方向扩展。主裂纹和热疲劳损伤因子评价结果显示：1Cr13试样抗热疲劳性能最好，18Ni300试样次之，12Cr9Ni试样抗热疲劳性能最差。对比了3种材料的抗热疲劳性能和力学性能，发现二者之间没有直接的对应规律关系。试样在热循环过程中不断发生氧化腐蚀，这一现象加速了热疲劳裂纹的扩展，其中1Cr13试样生成的Cr2O3膜，能够起到延缓裂纹尖端扩展的作用。因此，Cr元素是影响材料中抗热疲劳性能的主要因素。该研究结果为增材制造压铸模具镶件工程化应用提供了重要的实验依据。

• 基于适航要求的SLM铝合金机匣的工程应用研究

  李永佳,

  激光选区熔化（selective laser melting，SLM）具有成形零件致密度高、尺寸精度高、表面粗糙度小、力学性能好等特点，因而具有较好的工程应用前景。根据某型民用航空发动机的设计准则和民航适航规章，通过理论分析、数值建模、试验研究等方法，对SLM成形AlSi10Mg合金传动机匣这一形状复杂的发动机结构件的可行性进行了全面研究。结果表明：SLM成形AlSi10Mg合金的组织和性能符合适航规章CCAR25部的要求，附件传动机匣可以选择SLM成形的AlSi10Mg合金材料。530℃/30 min，水冷+165℃/6 h，空冷的T6热处理可以有效改善SLM成形AlSi10Mg材料的各向异性，并在一定程度上提高材料的屈服强度和伸长率，但会降低材料的抗拉强度。附件传动机匣按适航要求进行最大允许的限制载荷和极限载荷的试验考核或分析。经过有限元分析，限制载荷下SLM成形的AlSi10Mg合金附件传动机匣不会出现变形，符合适航规章要求；但在极限载荷下，附件传动机匣的最大应力高于SLM成形AlSi10Mg合金的抗拉强度。经试验验证，SLM成形的AlSi10Mg机匣内部管路在适航规章规定的压力下不会出现泄露或破裂。

• 开放环境激光定向能量沉积Ti-6Al-4V的微观组织与力学性能

  周登, 邢飞, 杜威龙, 石拓, 张荣伟,

  大型钛合金零部件的现场激光增材修复由于条件的限制，难以在气氛箱体内完成。基于光内送粉熔覆技术，分别在空气开放环境下的局部气氛保护装置与具有控水控氧功能的气氛箱体内进行Ti-6Al-4V激光定向能量沉积试验，比较了这两种成形环境中Ti-6Al-4V合金的微观组织与力学性能差异。结果表明，在开放环境中成形件的平均氧含量比气氛箱体内的成形件高。两类成形试样组织均主要为α+β双相网篮组织，气氛箱体内成形的试样有明显的β晶界，晶界旁有片层α相，而在开放环境中成形的试样晶内存在大量的α'相。开放式环境下更高的冷却速率与氧元素的摄入致使成形件强度提高和塑性降低。在气氛箱体内成形的试样拉伸断口为微孔聚集型断裂，在开放环境下成形的试样拉伸断口为穿晶断裂。

• 基于UG软件刀路仿真设计的叶轮增减材制造工艺研究

  周庆松, 孙文磊, 黎勇, 张团, 王德安, 王云浩,

  为了研究增减材复合制造技术在叶轮等工业零件加工制造中的应用，通过使用UG/NX软件建立模型并定义每个加工特征，同时编制了增材与三种减材的刀轨轨迹路径，并优化了切削参数。采用五轴激光沉积增材/高速减材复合制造设备进行了试验验证。结果表明，结合增材制造和减材制造的优势，显著提高了零件的表面质量、加工效率和综合性能。未进行面铣加工的叶片表面粗糙，经过面铣和型腔铣削加工后的叶片表面光洁度显著提高，内部型腔的表面质量亦明显改善。增减材复合加工不仅提高了零件的表面质量，还有效提升了加工效率和材料利用率，降低了生产成本。证明了增减材复合加工技术在复杂零件制造中的巨大潜力，为高质量工业零件的生产提供了可靠的技术途径，为增减材复合制造技术领域提供参考。

• 激光选区熔化成形AZ91D镁合金的力学性能与精度研究

  李高航, 魏恺文, 李飞阳, 钟桥, 周润森, 刘宇光, 朱海红, 柯林达, 曾晓雁,

  激光选区熔化（selective laser melting，SLM）增材制造技术可实现镁合金零件的快速制造，但有关SLM成形镁合金力学性能和成形精度的综合研究较少。以AZ91D镁合金为对象，研究了SLM成形镁合金的致密化行为、组织结构、力学性能、表面粗糙度和尺寸精度。结果表明：当实体填充所用的激光能量密度大于110 J/mm3时，成形试样可达到高度致密（致密度>99.5%），但致密度与激光能量密度并无严格的一一对应关系。高致密样品呈现微细枝晶状显微组织，极限抗拉强度、屈服强度、伸长率均超过同牌号压铸件。仅采用实体填充时，高致密、高性能样品的加工误差较小，为0.25%，但表面粗糙度较高，为（17.7±1.9）μm；加入适当的轮廓扫描后，可以将表面粗糙度降低至（14.4±1.1）μm，加工误差降低至0.12%。

• 激光增材Ni-Cr-Cu表面的抑菌、耐磨性和耐腐蚀性研究

  江国业, 林芳斌,

  改变激光扫描速率，在Q235碳钢表面激光增材Ni-Cr-Cu，并使用SEM、EDS以及显微维氏硬度计分析表面的微观组织、元素成分及硬度，用销盘式摩擦磨损试验机与电化学工作站分析耐摩性和耐蚀性，专门设计适用于测试增材表面抑菌性的试验方法分析抑菌性。结果表明，各表面微观组织以树枝晶与胞状晶为主，扫描速率对晶粒饱满程度有明显影响，组织中有硬度高达1500 HV的富Cr析出相及Cu元素含量达13.21%的黑色底相；表面的硬度、耐磨性与耐蚀性均优于基体，因耐蚀性的提高，其短期的抑菌性会受到影响。在扫描速率为700 mm/min时，各性能均表现优异，其综合性能达到最好。

• 氧含量对激光定向能量沉积Ti-6Al-4V钛合金组织和性能的影响

  邢飞, 孙海江, 刘伟军, 卞宏友, 王蔚, 锁红波,

  采用激光能量沉积法制备了TC4钛合金试样块，借助OM、SEM、电子探针定量分析、X射线衍射等方法，研究了不同氧含量对钛合金微观结构、相组成、氧气浓度及性能之间的相关性。结果表明，衍射峰的强度随着氧含量的增加而略有增加。而（002）衍射峰的强度明显在中氧环境下达到最大，随之减弱。材料的强度和硬度随着氧含量的增加分别提高115 MPa和58 HV，伸长率下降到8.71%，断面收缩率下降到6.6%。断裂失效机制随着氧含量的增加由韧性断裂转变为准解理与韧性断裂复合断裂。宏观组织主要为柱状晶粒和针状马氏体为主，热处理后主要是马氏体α'和β转组织。不同氧含量环境下形成的间隙固溶体，导致晶格常数增大，从将引起晶格膨胀。随着界面能量的增加，进而在晶界生成高密度位错现象，对钉扎起到进一步加强作用，使试样强度提高而塑性降低。

• 激光选区熔化制备NiTi合金显微组织与压缩性能研究

  王耀锋, 葛进国, 袁勃, 张亮,

  采用激光选区熔化技术进行不同能量密度下的高致密NiTi合金制备，研究了基体相与沉淀相等显微组织特性对静态压缩与高应力超弹性性能的影响规律。结果表明，在55.56～66.67 J/mm3能量密度下可获得高质量沉积表面，且随能量密度递增而趋于平整。沉淀相显微组织均为粗大柱状B2奥氏体晶粒内分布着细小致密的B19'马氏体，纳米级颗粒状Ti2Ni沉淀相在B19'马氏体晶界及晶内呈弥散态析出。在细晶强化与弥散强化共同作用下获得了较高的压缩强度，失效模式为快速剪切断裂。合金在压缩卸载阶段因存在纯弹性回弹与马氏体变体回弹而具有较好超弹性功能。NiTi合金SLM件在合适的可变工艺窗口下表现出良好的显微组织与压缩性能稳定性。

• 微铸锻增材制造TC4-DT合金的高温力学性能与断裂失效行为

  牛香力, 王祖恒, 高一峰, 吴传栋, 宋新莉, 刘静,

  研究了微铸锻增材制造TC4-DT合金的高温力学性能与断裂失效行为。通过X射线衍射、光学显微镜和扫描电子显微镜观察了微铸锻增材制造TC4-DT合金在平行沉积扫描方向与平行沉积增高方向的相组成与显微结构，测试了不同温度（500、600和700℃）TC4-DT合金的高温力学性能，观察了不同测试温度的拉伸断口形貌并分析了其断裂失效行为。结果表明：微铸锻增材制造TC4-DT合金主要物相为α相，平行和垂直于沉积方向的显微结构主要是网篮状组织和片层α组织，未观察到明显的各向异性。随温度升高，TC4-DT合金的强度降低，断裂行为由穿晶断裂向沿晶断裂转变。材料失效行为的主要影响因素包括高温下晶粒的长大、晶界的软化、气孔的长大与聚集。

• 热处理对选择性激光熔融制备模锻铝合金的显微组织调控研究

  常秋香, 于艳美,

  通过OM、显微硬度计、SEM及TEM对选择性激光熔融制备的7A09铝合金经过固溶与双级时效处理后的显微组织、硬度及相变进行了探究。结果表明，未经处理的7A09合金显微组织展现出显著的通道间非均匀性，而经过固溶与双级时效处理后，该合金表现出均匀且细小的显微组织，通道结构消失。在该处理下合金的硬度相较于原始状态合金（82 HV）有所提高，平均达到约160 HV。晶界处的沉淀S相（Al2CuMg）及θ相（Al2Cu）为合金的强化相，提供了弥散强化和沉淀强化的效应。

• 增材制造Co-Cr-W合金修复QT400-18球墨铸铁发动机机体的抗穴蚀性能研究

  肖宇枫, 魏翔宇, 张峰, 高俊杰, 孙兵兵,

  为提高球墨铸铁发动机机体的表面性能，解决使用过程中空泡溃灭产生的穴蚀问题，分别采用激光熔覆和氩弧焊在QT400-18球墨铸铁表面进行Co-Cr-W钴基合金层的增材修复，并对熔覆层和堆焊层试样的组织、硬度、室温拉伸性能、抗穴蚀性能进行分析。结果表明：修复层主要为细小的、交错生长的柱状晶和树枝晶，激光熔覆层的组织比氩弧焊层组织更细密，硬度更高；这两种修复层试样的抗拉强度和基体接近，但塑性下降；经8 h穴蚀后，QT400-18基体损伤严重，激光熔覆试样和氩弧焊试样的表面较光滑，其抗穴蚀性能明显提高，激光熔覆试样和氩弧焊试样的失重相比球墨铸铁基体分别降低95.32%、93.58%。

• 基于元胞自动机的金属增材制造孔洞附近微观组织模拟

  陈逸飞, 周金宇, 王林,

  基于元胞自动机和粉末尺度的热流耦合模型，提出一种气孔处三维微观组织模拟方法。利用MATLAB构建元胞自动机模型，对增材制造钛合金Ti-6Al-4V的二维微观组织进行模拟，其模拟结果与实验结果吻合。通过FLOW-3D和EDEM软件联合仿真，利用有限体积法对三维多道次的粉末床熔融过程进行仿真，得到了温度场信息。将元胞自动机模型拓展到三维尺度，把得到的温度场数据导入元胞自动机模型，对孔洞位置处的微观组织进行数值模拟，得到了微观组织分布。该方法有助于构建金属增材制造工艺设计、缺陷表征、性能评价多尺度模型，以及用于晶粒、缺陷分布和疲劳寿命等信息预测。

• 激光选区熔化TC4闭式叶轮的成形仿真与支撑优化设计

  张文玮, 李博海, 刘征, 赵猛, 张琦, 陈孟,

  随着金属增材制造技术的快速发展，激光选区熔化技术因具有成形自由度大、精度高及表面粗糙度低的优势，被广泛应用于钛合金闭式叶轮的生产。在增材制造过程中，闭式叶轮内部通常无法自成形，需要添加支撑结构。为了能够设计出最优的闭式叶轮内部支撑方案，利用Simufact Additive增材制造仿真模拟软件，对闭式叶轮成形过程的变形以及残余应力进行模拟仿真。基于仿真结果，调整支撑的类型、尺寸、分布以及成形参数来调控支撑本体的力学性能，并使用微观CT等手段分析了支撑强度和孔隙率之间的关系。结果表明：支撑优化后，闭式叶轮内腔支撑去除后的表面粗糙度从原块体支撑的528 μm降到了13 μm，疲劳强度提高了约84.8%。

• 激光增材制造316L从单层到多层沉积的热行为模拟与实验研究

  卢裕尔, 孙文磊, 钟荟玄, 邹利, 黎勇, 张团,

  基于ABAQUS软件构建激光金属沉积（laser metal deposition，LMD）316L不锈钢增材制造的有限元模型,采用生死单元和双椭球移动热源结合的方式进行数值模拟，研究单道单层LMD过程中的温度场以及不同工艺参数对温度场、不同区域特征点温度梯度的影响。进一步探究了单道多层LMD过程中熔池的温度变化和各层之间的热循环规律。设计相关实验，验证数值模拟结果。结果表明：降低扫描速度或提高激光功率，熔池作用范围会变大。激光功率对温度梯度影响更大，尤其是纵向温度梯度。随着LMD层数的增加，且由于往复扫描的工艺路径，温度梯度显著增加，因此成形零件容易发生弯曲变形。单道多层薄壁件的整体形貌进一步说明了LMD温度梯度模拟的准确性。

• 新型增材制造FeCoNiAl中熵合金的时效硬化行为研究

  韩欣洋, 李相伟, 廖伯凯, 张友昭, 郭兴蓬, 王贝贝, 张书彦,

  FeCoNiAl系中熵合金因其独特的微观组织和优异的力学性能，具有广阔应用前景。采用选区激光熔化技术制备了一种新型FeCoNiAl中熵合金，研究时效温度对合金的微观组织与硬度的影响规律，揭示选区激光熔化成形FeCoNiAl中熵合金的强化机制。结果表明：打印态合金为单相BCC结构，硬度为31.2 HRC。时效处理后，在晶界和晶内析出大量纳米级的Ni3Al和Ni3Fe析出相。随着热处理温度逐渐提高，合金中的Ni3Fe相含量逐渐增加，合金的硬度呈现先升高后降低的趋势，在430℃/2 h时效处理后达到最高值44.3 HRC。继续提高时效温度到600℃后，Ni3Fe析出相由点状、针状变为粗大的树枝状，FCC相含量达到33.9%，合金时效硬度降低至31.9 HRC。热处理过程中纳米级Ni3Fe和Ni3Al相析出引起的析出强化是FeCoNiAl中熵合金硬度提高的主要原因。

• 不同回流状态下选区激光熔化316L成型件组织和性能对比分析

  刘鹏宇, 李辉, 张瑞华, 魏小红, 肖梦智, 尹燕, 屈岳波,

  采用选区激光熔化设备在有无回流状态下进行打印。利用扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）对打印成型件的微观组织、物相、断口进行研究。结果表明：两组成型件的物相均为奥氏体相，微观组织呈胞状晶，受快速非平衡凝固与马兰戈尼对流的影响，胞状晶的结晶位向表现出各向异性。无回流状态的成型件表面整洁；有回流状态的成型件表面有很多微米级别的颗粒，而且熔道出现了部分中断现象，经过深度腐蚀之后，内部可以观测到孔洞、未熔化的粉末。无回流状态的拉伸断口中存在大量等轴韧窝；有回流的拉伸断口韧窝呈现“倭瓜”状，同时在断口中可观察到很多的孔洞。与无回流试样相比，在回流状态下试样的抗拉强度减少了51.98 MPa，伸长率减少了7.39%。在回流情况下成型件内部的夹渣、未熔颗粒、孔洞减少了试样承载面积，造成了应力集中，降低了成型件的力学性能。

• 激光熔融沉积增材制造Ti-6Al-4V合金的组织和耐腐蚀性能研究

  王怀慎, 刘国廷, 安海俊, 汪卓然, 贾本业, 董鹏,

  采用激光熔融沉积（laser melting deposition，LMD）技术制备了TC4钛合金，对比分析了LMD态和轧制态TC4合金的微观组织和力学性能，并采用电化学性能测试和3.5wt% NaCl溶液中慢应变速率应力腐蚀试验对两种状态合金的腐蚀性能进行了研究。结果表明：LMD态TC4钛合金的微观组织为板条状α'马氏体，β相含量极少，仅为0.3%，与轧制态的沿着轧制方向呈拉伸状的晶粒结构显著不同。LMD态TC4合金的纳米硬度为（6.65±0.39）GPa，远高于轧制态的（1.54±0.57）GPa。LMD态TC4的开路电位为-0.187 V，低于轧制态TC4的0.097 V，而腐蚀电流密度icorr、击穿电流ipass分别是轧制样品的1.42倍、2.7倍。慢应变速率应力腐蚀试验结果显示，LMD态TC4合金的应力腐蚀敏感性高于轧制态的。