1 哈尔滨工业大学材料结构精密焊接与连接全国重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150001
2 北京遥感设备研究所,北京 100854
因瓦合金以其独特的因瓦效应被应用于航天用精密光学镜筒制造中。对因瓦合金镜筒激光选区增材制造工艺及其结构设计进行了探究与优化,结果表明:增加激光扫描间距同时适当降低扫描速度可以有效减少匙孔与未熔合等缺陷,得到了显微组织均匀分布且无明显缺陷的样件,其抗拉强度为482 MPa,屈服强度为388 MPa,最终获得了高质量的镜筒结构件。将镜筒结构拓扑优化为斜拉筋式结构并进行去应力热处理后,其内部残余应力仅为屈服应力的13%,且热膨胀系数仅为1.910-6 K-1。
增材制造 激光选区熔化 因瓦合金 工艺优化 结构设计及后处理 中国激光
2024, 51(10): 1002314
1 南京航空航天大学材料科学与技术学院,江苏 南京 210016
2 江苏省高性能构件激光增材制造工程研究中心,江苏 南京 210016
激光增材制造稀土改性高强铝合金因具备轻质高强、复杂构件一体化成形等优势,在航空航天领域具有广阔的应用前景。围绕激光增材制造成形工艺优化、冶金缺陷抑制、力学性能提升及复杂构件形性调控等的研究是近年来的研究难点。本团队开展了激光粉末床熔融成形稀土改性高强铝合金Al-4.2Mg-0.4Sc-0.2Zr的激光工艺优化研究,基于试验表征与数值模拟相结合的方法,揭示了激光扫描速度对成形试件表面质量、内部冶金缺陷、熔池传热传质行为及纳米析出相分布的影响机制。结果显示:当激光功率为300 W、激光扫描速度为800 mm/s,并辅以325 ℃/4 h的时效热处理时,成形试件的致密度最优,为99.5%,抗拉强度为512.4 MPa,延伸率为13.3%。基于优化工艺参数对航空领域两类典型的复杂构件开展了成形试验研究,成形试件的最长外形尺寸为570 mm,表面粗糙度Ra≤7.3 μm,尺寸精度可达0.1 mm/100 mm。
激光技术 增材制造 激光粉末床熔融 高强铝合金 工艺调控 力学性能 中国激光
2024, 51(10): 1002317
1 北京航空航天大学机械工程与自动化学院,北京 100083
2 北京航空航天大学大型金属构件增材制造国家工程实验室,北京 100191
极端服役环境对空天等核心构件可靠性和集成性提出了严峻挑战。传统单一材料体系和制造工艺难以满足复杂性能需求。激光增材制造技术是实现异质金属结构-功能一体化的有效途径,但异质材料兼容问题(易诱发缺陷、加工参数响应不一等)限制了高质量异质界面的形成,这对制造装备与连接工艺提出了更高挑战。本文基于异质金属激光增材制造的最新研究进展,聚焦异质金属成型的关键问题及解决方案,回顾了近年来异质金属体系的发展及空天领域应用,从送粉方式、复合制造等方面介绍了激光增材装备的改进策略,总结了近年来激光增材技术在连接方式、参数调控、监测预测和前后端处理方面的研究进展,并针对这一技术的共性及难点问题给出了展望与思考。
激光技术 异质金属 空天应用 增材装备 增材制造工艺 中国激光
2024, 51(10): 1002304
1 五邑大学 智能制造学部, 广东 江门 529020
2 暨南大学 物理与光电工程学院, 广东 广州 510632
钙钛矿太阳能电池仅用十年左右的时间将效率提升至认证的26.1%,非常接近晶硅太阳能电池26.81%的认证效率,展现出巨大的产业化潜力。当前,钙钛矿太阳能电池器件效率还在提升,然而在器件制备过程中,钙钛矿太阳能电池的性能受到许多不可分割的因素影响,传统方法往往采用试错的方式来优化钙钛矿太阳能电池的制备工艺,花费了大量的时间。贝叶斯优化是一种全局优化算法,在解决人工智能的黑盒问题方面取得了很大的成功。本文利用贝叶斯优化算法对钙钛矿层涉及到的碘化铅(PbI2)过量百分比、退火温度、退火时间、真空萃取时间四个工艺参数进行优化选择,显著降低了研发成本,缩短了研发时间。通过五轮实验迭代,累计34组工艺条件,制备出了器件效率为23.56%的反型钙钛矿太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池 机器学习 工艺优化 高效率 perovskite solar cells machine learning process optimization high efficiency
1 中南大学轨道交通安全教育部重点实验室,湖南 长沙 410075
2 中南大学交通运输工程学院,湖南 长沙 410075
3 中南大学粉末冶金国家重点实验室,湖南 长沙 410083
激光选区熔化(SLM)过程工艺参数会直接影响熔道成形形貌及微观结构,从而影响成形结构的力学性能。针对AlSi10Mg合金在SLM成形过程中产生的缺陷,笔者采用试验方法研究了激光功率、扫描速度等成形参数对AlSi10Mg合金单、双熔道成形形貌的影响,并结合离散元-流体体积(DEM-VOF)法建立了介观尺度下SLM成形过程粉末床数值模拟模型,对低功率下熔道成形缺陷的成因进行研究。结果发现:激光线能量密度不足(线能量密度低于200 J/m)以及AlSi10Mg的易氧化性会严重影响熔道的连续性;在低扫描速率(200 mm/s)、高线能量密度(500 J/m)成形窗口下,熔池的连续性及表面平整度因受蒸气反冲压力的作用而降低,同时形成了深度可达100 μm的匙孔,影响了熔道形貌,并产生了孔隙缺陷。由数值模拟结果可知,提高预热温度至500 K可以降低粉末熔化所需的激光线能量密度,从而改善低功率下的熔道不连续现象。
激光技术 激光选区熔化 AlSi10Mg合金 工艺参数 缺陷 数值模拟 中国激光
2024, 51(16): 1602307
西安增材制造国家研究院有限公司,陕西 西安 710065
为了研究激光选区熔化GH3536高温合金成形工艺对成形件内部缺陷类型、尺寸、数量的影响,采用激光选区熔化设备进行样件制备,对其进行抛光态观察和致密度、缺陷数量测试,并分析了合金的缺陷类型、尺寸分布及数量。研究表明:随着工艺参数的改变,能量密度逐渐增加,成形件致密度逐渐增加,并趋于稳定。在79.17~92.59 J/mm3的能量密度范围内,样件内部均匀致密,无缺陷;随着能量密度逐渐增大或者降低,样件内部主要为气孔型缺陷,气孔尺寸<0.1 mm。能量密度≤48.87 J/mm3时,样件内部缺陷主要为未熔合及微裂纹。
激光选区熔化 GH3536高温合金 工艺参数 缺陷 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0514008
1 上海海事大学物流工程学院,上海 201306
2 上海海事大学商船学院,上海 201306
3 上海良时智能科技股份有限公司,上海 201413
海洋腐蚀造成的安全隐患和经济损失是船舶领域一直关注的重点和难点,随着相关法律法规的出台,以及航运业对船舶及其锈蚀部件清洗的改进需求,使得传统除锈方法出现的低效率、低精度、不同程度的基底损坏、化学污染、资源浪费和职业危害等问题更加突出。激光除锈技术是一种非接触式的绿色除锈方法,具有高效率、低成本、可实现自动化等优点,近年来已成为船舶领域的热门研究方向。介绍了激光除锈技术的国内外研究现状,对典型的激光除锈方法和机理进行了说明,阐述了工艺参数对船用钢激光除锈时的影响、激光除锈与其他相关技术的结合应用等,展望了激光除锈技术在船舶领域实施较大规模应用的发展前景,为未来激光除锈技术在船舶领域的应用提供了一定的参考。
激光除锈 工艺参数 除锈机理 船舶领域 激光与光电子学进展
2024, 61(5): 0500006
北京工业大学材料与制造学部智能光子制造研究中心,北京 100124
设备器件精密化、微型化是工业发展的重要趋势。在航空航天、动力电池、消费电子、生物医疗等应用领域中,零部件的日益微型化对微加工工艺提出了更高的要求。金属材料微焊接是微加工领域的重要需求之一,而激光具有能量密度高、热输入精确可控、焊接变形小等特点,是金属材料微焊接的重要技术手段。对金属材料激光微焊接技术展开了探讨,明确了其内涵,阐明了微尺度效应的影响,并总结了激光微焊接常见的缺陷及其质量控制方法,介绍了同种金属材料和异种金属材料激光微焊接的重要应用前景。最后,指出了金属材料激光微焊接技术存在的问题,并展望了未来的发展方向。
激光技术 金属箔材 激光微焊接 尺度效应 工艺参数 应用