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航空学报 2022年第4期43卷 388-397页

作者：杨建凯顾冬冬葛庆檀晨晨文雨南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室南京210016

航空航天领域复杂金属构件在激光增材制造过程中大多需添加支撑结构,尤以块状支撑结构应用最广泛。合理确定支撑间距及悬垂面后处理加工余量,对于激光精确成形至关重要。研究了支撑间距对选区激光熔化成形Al-Si10Mg材料致密度、表面形... 详细信息

航空航天领域复杂金属构件在激光增材制造过程中大多需添加支撑结构,尤以块状支撑结构应用最广泛。合理确定支撑间距及悬垂面后处理加工余量,对于激光精确成形至关重要。研究了支撑间距对选区激光熔化成形Al-Si10Mg材料致密度、表面形貌、显微组织、硬度的影响规律,并通过数值模拟的方法揭示了支撑结构对成形性的影响机理。研究表明,不同支撑间距试样的平均致密度变化范围为96.7%~97.3%,当支撑间距小于1mm时,去除支撑后试样下表面粗糙度稳定为约0.28mm。成形试样底层受支撑结构影响可分为缺陷区、过渡区、致密区,在支撑间距为1mm以下时,缺陷区厚度保持在约456μm。缺陷区的网状Si较粗大且稀疏,硬度为90HV_(0.1);致密区的网状Si较细小且密集,硬度为115HV_(0.1)。支撑结构能有效阻止金属熔体侵入下层粉末,使熔池维持正常形态(最大长度为190μm,最大宽度为100μm),有利于熔道内金属粉末充分熔化,保证成形性。激光增材制造铝合金复杂构件时设定最优支撑间距为1mm可减少材料浪费和加工时长,设定悬垂面加工余量为456μm可在后处理中将缺陷区去除以保证构件尺寸精度及性能,实现激光精确成形。

关键词：选区激光熔化 AlSi10Mg 支撑结构显微组织显微硬度数值模拟

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选区激光熔化成形碳纳米管增强铝基复合材料成形机制及力学性能研究

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机械工程学报 2019年第15期55卷 1-9页

作者：饶项炜顾冬冬席丽霞南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室南京210016

铸造铝合金具有优良的铸造焊接性能等优点,但是低硬度和较差的耐磨性能限制了其应用的范围,成形铝基复合材料构件是一种有效途径。采用选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造技术成形碳纳米管增强铝基纳米复合材料(CNT/Al... 详细信息

铸造铝合金具有优良的铸造焊接性能等优点,但是低硬度和较差的耐磨性能限制了其应用的范围,成形铝基复合材料构件是一种有效途径。采用选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)增材制造技术成形碳纳米管增强铝基纳米复合材料(CNT/Al)构件,通过设置不同的激光参数,研究不同激光能量密度(η)下试样的致密化行为、物相和显微组织及其力学性能。研究表明:随着η从150J/m增加至187.5J/m,致密度从94.49%上升至99.83%。高能量密度增大了熔池的尺寸和温度,导致液相的黏度下降和润湿性能提高,使得液相均匀铺展,熔池间搭接程度上升以及孔洞等冶金缺陷减少,致密化程度上升。成形试样的主要物相为Al9Si和Si,碳纳米管(CNTs)外壁与基体发生原位反应生成了Al4C3,提高了界面稳定性。成形试样的硬度和耐磨性能与致密度变化表现为正相关。当η=187.5 J/m时,成形试样的平均显微硬度为164.3 HV0.2,摩擦因数下降至0.21,强度和延伸率分别为452 MPa和9.0%,表现出优良的力学性能。

关键词：激光技术选区激光熔化铝合金组织与性能

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扫描策略对激光粉末床熔融W-Ti重合金致密化、残余应力及力学性能的影响

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中国激光 2023年第4期50卷 23-33页

作者：郭朦刘凯孙婧佳顾冬冬南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京210016 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室江苏南京210016

采用激光粉末床熔融(LPBF)增材制造技术在不同扫描策略(岛状、之字形、重熔扫描策略)下制备了W-Ti重合金,研究了扫描策略对W-Ti合金致密化行为、残余应力分布及纳米硬度、抗压强度、断裂应变等力学性能的影响规律。研究结果表明:使用岛... 详细信息

采用激光粉末床熔融(LPBF)增材制造技术在不同扫描策略(岛状、之字形、重熔扫描策略)下制备了W-Ti重合金,研究了扫描策略对W-Ti合金致密化行为、残余应力分布及纳米硬度、抗压强度、断裂应变等力学性能的影响规律。研究结果表明:使用岛状扫描策略可以有效抑制试样内部的孔隙、裂纹等冶金缺陷,且成形件层间冶金结合良好,致密度可达99.4%;岛状扫描策略下成形试样的残余应力分布较均匀,纳米硬度为8.44 GPa,极限抗压强度和断裂应变可达1906 MPa和20.4%,均为三种扫描策略下的最高值。本实验研究明晰了激光扫描策略与LPBF成形W-Ti合金力学性能之间的关系,优化了难加工W-Ti重合金的激光增材制造工艺。

关键词：激光技术激光粉末床熔融扫描策略 W-Ti重合金残余应力力学性能

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激光增材制造拓扑优化轻量化圆锥构件力学性能研究

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航空制造技术 2022年第14期65卷 101-109页

作者：林开杰吴立斌杨建凯张晗顾冬冬南京航空航天大学南京210016 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室南京210016

航空航天轻量化结构通常需兼具减重、承载、减振、抗冲击等多种性能要求。但结构在减重的同时往往会伴随着承载、抗冲击性能的降低。基于变密度法对圆锥结构进行了拓扑优化设计,并利用激光粉末床熔融技术实现了圆锥轻量化构件一体化成形... 详细信息

航空航天轻量化结构通常需兼具减重、承载、减振、抗冲击等多种性能要求。但结构在减重的同时往往会伴随着承载、抗冲击性能的降低。基于变密度法对圆锥结构进行了拓扑优化设计,并利用激光粉末床熔融技术实现了圆锥轻量化构件一体化成形,研究了轴向压缩试验下壁厚对拓扑优化构件力学性能的影响机制。试验结果表明,随着壁厚由1.0 mm增至3.0 mm,结构的比吸能先增后减,壁厚2.5 mm的构件比吸能最大,为11.48 J/g。采用有限元模拟方法研究了拓扑优化圆锥结构在压缩过程中的应力分布情况,结果表明,构件发生屈曲变形及断裂的主要原因为较大的面内压应力,内外壁应力水平差异导致了结构发生不同方向的屈曲变形,且随着壁厚的增加,圆锥顶部出现的应力集中及上层屈曲程度的降低均导致结构不能持续增加能量吸收。

关键词：拓扑优化圆锥轻量化构件增材制造(AM) 激光粉末床熔融比能量吸收

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激光粉末床熔融Ti/Al层状复合材料的成形性、界面特性及力学性能研究

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机械工程学报 2022年第17期58卷 288-296页

作者：李得利汪瑞张晗林开杰顾冬冬南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016 南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室南京210016

采用激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,LPBF)增材制造技术制备了Ti/Al层状金属复合材料(Ti/Al layered metal composites,Ti/Al LMC),利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、显微硬度及摩擦磨损实验等测试表征方法研究了Ti... 详细信息

采用激光粉末床熔融(Laser powder bed fusion,LPBF)增材制造技术制备了Ti/Al层状金属复合材料(Ti/Al layered metal composites,Ti/Al LMC),利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、显微硬度及摩擦磨损实验等测试表征方法研究了Ti/Al LMC的成形质量、界面特性和力学性能。结果表明,根据异种材料特征有针对性地优化钛层和铝层的加工参数分别为800 mm/s、200 W;2400 mm/s、350 W时,可获得较低孔隙率(2.73%)的Ti/Al LMC样品,且钛层与铝层界面结合良好,具备较高的显微硬度(226.3HV)和良好的耐磨性(磨损率为10.4×10^(-4)mm^(3)/(Νm))。在不同工艺参数下制得的样品中均出现了TiAl金属间化合物,其形成原因是由于Ti/Al层状复合结构界面处存在相互扩散现象,且TiAl沿最大冷却速率方向优先从铝层向钛层生长。摩擦磨损实验表明良好的界面结合及适量TiAl金属间化合物的生成有助于提高Ti/AlLMC的耐磨性,磨损机制主要为粘着磨损和磨粒磨损。

关键词： Ti/Al层状复合界面结合金属间化合物元素扩散力学性能

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选区激光熔化工艺参数对燃料电池316L不锈钢双极板性能的影响

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机械工程学报 2021年第9期57卷 167-174页

作者：林开杰董伟菘顾冬冬全景峰乔竞驰王超超南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016 南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室南京210016

316L不锈钢材料具有耐蚀性好、成形性好、成本低等优点,在燃料电池金属双极板领域有着良好的应用前景。基于传统等材、减材加工方法难以成形复杂结构燃料电池双极板的瓶颈,使用选区激光熔化技术可实现复杂结构316L不锈钢双极板的成形制... 详细信息

316L不锈钢材料具有耐蚀性好、成形性好、成本低等优点,在燃料电池金属双极板领域有着良好的应用前景。基于传统等材、减材加工方法难以成形复杂结构燃料电池双极板的瓶颈,使用选区激光熔化技术可实现复杂结构316L不锈钢双极板的成形制造。针对燃料电池不锈钢金属双极板的应用背景,系统研究了不同激光工艺参数(激光功率、激光扫描速度)对所成形316L不锈钢材料微观组织及双极板所需耐蚀性和表面接触电阻的影响,并对比了传统锻造316L不锈钢与选区激光熔化316L不锈钢在显微组织和性能上的差异。结果表明,选区激光熔化成形316L不锈钢的致密度随着激光功率的增大而增大,随着扫描速度的增大而减少,并在激光功率为300 W,扫描速度为1 500~2 000 mm/s时达到最大值。相比于具有等轴晶特征的锻造不锈钢试样,选区激光熔化成形不锈钢试样柱状晶组织有利于降低晶界对电流的阻碍作用,从而降低了表面接触电阻;同时,随着样品表面粗糙度的提高,选区激光熔化成形不锈钢试样的表面接触电阻降低。致密度高的选区激光熔化成形不锈钢试样的耐蚀性优于锻造成形不锈钢试样,且随着致密度的减小,选区激光熔化成形试样的耐蚀性逐渐降低。本研究结果表明选区激光熔化成形316L不锈钢材料可用于燃料电池金属双极板。

关键词：选区激光熔化 316L不锈钢燃料电池金属双极板

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曲面激光增材制造钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程热行为研究

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中国激光 2023年第8期50卷 167-179页

作者：俞皓捷戴冬华石新宇历彦泽石珂羽顾冬冬南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京210016 南京航空航天大学江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室江苏南京210016

针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题,采用有限元模拟方法,对激光定向能量沉积(LDED)钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟,通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规... 详细信息

针对曲面激光增材制造钛/铝异质材料温度场和熔池形貌的调控难题,采用有限元模拟方法,对激光定向能量沉积(LDED)钛/铝异质材料起始及稳态沉积过程进行数值模拟,通过控制变量研究了激光功率、扫描速度对熔池形貌、宽深比及温度场的影响规律,并进行了实验验证。研究结果表明:LDED成形钛/铝异质材料的熔池热行为、形貌等随激光参数发生显著变化,当扫描速度为0.32 rad/s时,随着激光功率从1400 W增至2300 W,熔池最高温度从1525.5℃升至3289.8℃,熔池的体积从1.16 mm3增至7.73 mm3,熔池宽深比与激光体能量密度呈负相关。当激光功率为2000 W,扫描速度为0.32 rad/s时,Al-Ti异质材料层的熔池宽深比最大,为1.84,起始堆积Ti层的宽深比次之,为1.42,稳定堆积Ti层的宽深比最小,为1.22。实验得到的熔池宽度为0.61 mm,熔池形貌与有限元模拟熔池形貌吻合良好。

关键词：激光技术激光定向能量沉积温度场模拟 Ti/Al金属复合热行为熔池形貌

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激光直接能量沉积316L/Inconel 718多材料熔池热行为

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中国激光 2022年第14期49卷 166-176页

作者：张昊戴冬华石新宇历彦泽袁鲁豪黄广靖顾冬冬南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京210016 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室江苏南京210016 直升机传动技术国家重点实验室江苏南京210016

单一材料难以满足日益严苛的工业需求,而具备梯度性能的多材料构件应用前景广阔。利用激光直接能量沉积(Laser Directed Energy Deposition,LDED)技术成形了316L/Inconel 718多材料试样,基于有限元生死单元法,建立了LDED成形多材料有限... 详细信息

单一材料难以满足日益严苛的工业需求,而具备梯度性能的多材料构件应用前景广阔。利用激光直接能量沉积(Laser Directed Energy Deposition,LDED)技术成形了316L/Inconel 718多材料试样,基于有限元生死单元法,建立了LDED成形多材料有限元模型,考虑了LDED成形过程中异质材料热量传输方式,研究了激光功率和扫描速度对316L/Inconel 718界面热行为、界面缺陷演变及界面结合性能的影响规律。研究表明:当成形Inconel 718层的扫描速度由7 mm/s增至20 mm/s时(激光功率为1100 W),熔池最大温度梯度由6.02×10^(5)℃/m增至1.19×10^(6)℃/m;而液相存在时间由0.52 s降至0.125 s,重熔深度由0.45 mm降至0.22 mm。当成形Inconel 718层的激光功率由900 W增至1500 W(扫描速度为10 mm/s)时,最大温度梯度由8.15×10^(5)℃/m降至6.93×10^(5)℃/m;液相存在时间由0.3 s增至0.4 s,重熔深度由0.28 mm增至0.48 mm。当激光功率为1100 W,扫描速度为10 mm/s时,模拟结果表明316L/Inconel 718界面结合良好。最后,采用工艺实验验证了模型的准确性。

关键词：激光技术激光直接能量沉积温度场模拟 316L/Inconel 718 热行为界面

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激光粉末床熔融增材制造铝合金的室温和高温力学性能研究

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中国激光 2022年第8期49卷 1-11页

作者：齐世文荣鹏黄丹陈勇王锐戴冬华顾冬冬成都飞机工业(集团)有限责任公司四川成都610073 南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京210016 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室江苏南京210016

激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF)AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规... 详细信息

激光增材制造铝合金构件室温及高温力学性能对于提升其在航空航天等领域的服役稳定性至关重要。本文研究了成形方式对激光粉末床熔融(LPBF)AlSi10Mg构件室温压缩性能、高温拉伸性能、高周疲劳性能和室温裂纹扩展速率等力学性能的影响规律。结果表明:水平方式成形试样(拉伸、压缩、疲劳等载荷平行于试样铺粉方向)具有更优的压缩性能,表现出更优异的抗压强度及屈服强度(分别为201.0 MPa与251.3 MPa);在高温拉伸试验中,不同成形方向试样的抗拉强度及屈服强度随着试验温度升高(从100℃升至175℃)均呈下降趋势,而延伸率均逐渐升高,且水平方式成形试样的拉伸性能均优于垂直方式成形试样(载荷垂直于试样铺粉方向)。垂直方式成形AlSi10Mg合金试样经历10^(7)循环周次的中值疲劳强度为151.25MPa,疲劳寿命约为2.1×10^(5)周次,疲劳裂纹扩展门槛值为0.981MPa·m^(1/2)。

关键词：激光技术激光增材制造激光粉末床熔融高温力学性能疲劳强度疲劳裂纹扩展速率

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激光增材制造NiTi轻量化点阵结构变形与回复行为

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中国激光 2022年第14期49卷 223-235页

作者：宋英杰张红梅顾冬冬杨琴陈捷沈显峰南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京210016 江苏省高性能金属构件激光增材制造工程实验室江苏南京210016 中国工程物理研究院机械制造工艺研究所四川绵阳621999

为提升点阵结构的轻量化水平及变形能力,研究了NiTi空心杆点阵结构设计及激光增材制造。通过改变支杆内径,设计了质量系数为100%、93%、75%和50%的四种体心四方空心杆点阵结构,并利用激光粉末床熔融技术成形了对应的NiTi形状记忆合金构... 详细信息

为提升点阵结构的轻量化水平及变形能力,研究了NiTi空心杆点阵结构设计及激光增材制造。通过改变支杆内径,设计了质量系数为100%、93%、75%和50%的四种体心四方空心杆点阵结构,并利用激光粉末床熔融技术成形了对应的NiTi形状记忆合金构件。研究了空心杆点阵结构的质量系数对构件成形质量和显微组织的影响规律,采用有限元模拟法和单轴压缩实验分析了质量系数对结构压缩性能的影响规律,并通过循环压缩-热回复实验揭示了质量系数对NiTi点阵结构形状记忆效应的影响机制。研究表明:激光粉末床熔融技术制备的点阵结构成形质量好,但仍存在由凝固收缩、粘粉及台阶效应引起的尺寸偏差;质量系数为100%的点阵结构的承载能力最好,第一最大压缩载荷可达191.73 kN,对应的变形率为0.22;当质量系数降至75%时,第一最大压缩载荷为89.80 kN,构件承载能力下降53.16%,但压缩变形能力并未减弱,变形率仍可达0.21,且质量系数为75%的点阵结构的形状记忆效应最佳,在第一个压缩循环中回复率可达98.92%。

关键词：激光技术激光粉末床熔融 NiTi合金体心四方中空点阵结构压缩性能形状记忆效应

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