金属增材制造中的缺陷、组织形貌和成形材料力学性能

金属增材制造是近30年发展起来的一种新型制造技术, 不同于传统的减材制造过程, 它是基于离散-堆积原理, 根据设计的三维数据模型, 逐层加工获得立体实物的制造技术, 具有近净成形、快速制造、设计自由度高等优点, 特别适用于具有复杂几何结构的高熔点金属构件的直接成形, 在航天航空、核能工业、交通运输、生物医疗等领域具有巨大的技术优势和广阔的应用前景. 本文首先介绍了3种典型的金属增材制造技术原理, 包括选区激光熔化技术、激光金属沉积技术和选区电子束熔化技术. 随后对金属增材制造中的熔合不良、气孔、裂纹等缺陷的形成机理及其控制方法进行了综述, 以激光功率、扫描速度和扫描策略等工艺参数为例阐述了工艺参数对成形构件组织形貌的影响, 同时介绍了金属增材制造技术在传统合金、高熵合金以及非晶合金等材料中的应用及其力学性能. 最后对金属增材制造在扩充可打印的合金体系、量化缺陷与残余应力对材料性能的影响、发展可预测组织形貌的模拟方法、建立金属增材制造数据库和相关标准等方向进行了展望.      

金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究

金属增材制造是集设计、制造一体化的一种新型金属构件制造技术, 在航天航空、交通运输、生物医疗等领域具有广阔的应用前景. 金属增材制造材料的力学性能与其材料微观组织密切相关. 因此, 发展金属增材制造过程中材料微观组织的模拟方法, 有助于指导和优化金属增材制造的工艺参数和流程, 从而制备出性能优异的金属材料. 本文发展了基于连续体假设的热传导模型与元胞自动机相结合的模拟方法, 并利用生死单元方法, 考虑晶粒的重熔和再生长过程, 解决了金属增材制造中多层粉末制造的数值模拟问题. 本文采用该方法模拟了镍基合金IN718、不锈钢316L和高熵合金FeCoCrNiMn的增材制造过程, 并获得了这些增材制造合金的典型材料微观组织, 其模拟结果与实验结果相吻合. 同时, 将该方法拓展到三维尺度的模拟, 研究了镍基合金IN718增材制造过程中三维晶粒的形核和生长. 最后, 对金属增材制造过程中材料微观组织演化的模拟研究中的主要问题进行了总结和展望.