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                          學院要聞

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                          我院顧冬冬教授在《中國激光》以封面論文形式發表長篇綜述

                          時間:2020-05-31來源:科研辦點擊:1038

                              近日,2020年第5期《中國激光》出版“紀念激光器誕生60周年”專題,我院顧冬冬教授受邀在《中國激光》撰寫《航空航天高性能金屬材料構件激光增材制造》的長篇綜述,並作爲封面論文發表。論文系統論述了航空航天領域3類典型應用材料、4類典型結構的激光增材制造及航空航天應用進展,並對激光增材制造技術在材料-結構-工藝-性能一體化方向進行了總結和展望。


                          封面文章 | 顧冬冬,張紅梅,陳洪宇,張晗,席麗霞. 航空航天高性能金屬材料構件激光增材制造[J].中國激光,2020,47(05):0500002


                          航空航天制造是當今世界科技強國競相發展的重點方向之一,其發展離不開兼具輕量化、難加工、高性能等特征的航空航天金屬構件。激光增材制造技術爲高性能金屬構件的設計與制造開辟了新的工藝技術途徑,可解決航空航天等領域發展過程中對材料、結構、工藝、性能及應用等提出的新挑戰。近年來國內外在激光增材制造的新材料制備、新結構設計、高性能/多功能構件形性調控、航空航天應用等方面取得了顯著的研究進展。


                          1. 研制新型高性能材料是激光增材制造構件力學性能及應用水平提升的基礎保障

                          金屬激光增材制造過程中易出現孔隙、裂紋、氧化夾雜、熔體球化與飛濺等一系列冶金缺陷,這是由材料的物理和化學特性本質決定的。缺陷會顯著降祱Dす庠霾闹圃鞓嫾成形性能。以鋁合金爲例,其特殊性質(低密度、祱Dす馕收率、高熱導率及易氧化性等)決定了其是激光增材制造的典型難加工材料。很多高性能合金較難通過激光增材制造工藝獲得預期的高性能,主要是因材料的成分物性等參數並非專門爲激光增材制造而設計,難以適用于激光快速熔化凝固過程及高度非平衡冶金熱力學和動力學行爲。專用面向激光增材制造的Al-Mg-Sc-Zr合金可原位生成Al3(Sc,Zr)納米彌散強化相,成形件抗拉強度高于500 MPa,延伸率超過10%。新型研發的激光增材制造Ti-Cu合金可獲得細小等軸β-Ti晶粒,並具有很高的化學成分均勻性,成形件兼具高抗拉強度(867±8 MPa)和延伸率(14.9±1.9%),如圖1所示。對于激光增材制造高性能合金材料,全新的成分、物性、相變的設計及調控尤爲重要,是提升增材制造構件力學性能及應用發展水平的物質基礎與保障。

                          1 激光增材制造TC4合金與Ti-8.5Cu合金顯微組織對比:(aTC4合金呈粗大柱狀晶組織;(bTi-8.5Cu合金呈細小完全等軸晶組織


                          2. 納米複合、原位增強及梯度界面設計是提升傳統金屬激光增材制造強韌化的有效途徑

                          制備陶瓷增強金屬基複合材料是傳統金屬強韌化的重要途徑之一。激光增材制造金屬基複合材料,在選材上突出“多相材料可設計性”,在增材制造工藝上強調“高可控性”,在使用成效上則凸顯“高性能/多功能”,這是增材制造技術的重要發展方向。多相納米陶瓷複合、原位增強及梯度界面設計,可有效改善陶瓷/金屬界面潤濕性及結合性,抑制界面微觀孔隙及裂紋,提升成形件力學性能。

                          如圖2所示,作者團隊發現了高能激光特有的加熱方式、能量特點及冶金機制可使納米/原位陶瓷增強相具有新穎的微觀生長及分布結構,揭示了激光高度非平衡熔池內的溫度場、速度場、溶質場等冶金熱力學和動力學行爲對納米/原位陶瓷增強相形成、晶體生長和空間分布、陶瓷/金屬梯度界面形成與演化的作用規律,分析了納米/原位陶瓷增強相作用下基體金屬的等軸晶化及晶粒細化機制,提出了基于增強相、基體相及梯度界面的顯微組織調控使激光成形件強度和韌性協同提升的原理及方法。

                          2 激光增材制造Al基納米/原位複合材料顯微組織調控:(a)環狀TiC納米增強相;(b)條帶狀Al4SiC4原位增強相;(cTiB2增強作用下Al基體細化的等軸晶組織


                          3. 激光增材制造工藝調控及技術創新是金屬構件顯微組織改善及性能提升的根本手段

                          激光增材制造的工藝參數、掃描策略、成形方向、成形件布局方式等可顯著影響構件的成形質量、顯微組織及力學性能。通過調控激光線能量密度(λλ=P/v)簣Dす馓迥芰棵芏龋εε=P/vhd)(式中P爲激光功率,v爲掃描速率,h爲沈積線間距,d爲沈積層厚度),可有效調控線成形質量和體成形質量,爲金屬構件激光增材制造的精確化、穩定化控制提供關鍵工藝參數指標。

                          作者團隊明晰了粉體與激光作用、粉體熔化行爲、熔池形成與演化規律、熔體快速凝固行爲等全過程跨尺度物理冶金機制,構建了激光增材制造工藝調控及優化方法,實現了激光成形件內部顯微組織、冶金缺陷、殘余應力及成形性能“由線及體”立體控制。

                          另一方面,激光增材制造工藝的创新(如将激光增材制造与超声振动、电磁场等多能场复合),可显著改善显微组织(如将柱状晶完全转变为细小等轴晶)及力学性能,且对不同金属材料具有普适性,如圖3所示。

                          3 超聲複合激光增材制造TC4合金顯微組織調控:(a)激光熔化沈積複合高頻超聲振動工藝;(b)常規激光熔化沈積TC4合金的粗大柱狀晶;(c)超聲複合激光增材制造TC4合金的細小等軸晶


                          4. 創新結構設計及形性一體化調控是發揮增材制造潛能、實現性能/功能躍升的重要途徑

                          服役于航空、航天、船舶、核電等現代工業的金屬構件正朝著複雜化、一體化、高性能、多功能方向發展。創新結構設計爲增材制造構件的性能突破和功能躍升創造了條件。增材制造的高柔性爲結構成形提供了保障。兩者相輔相成、相得益彰。

                          對于大型金屬構件,基于送粉方式的激光熔化沈積(LMD)技術可有效滿足大型金屬構件的成形要求,並實現了Ti合金、Ni基高溫合金、高強鋼、難熔合金等難加工金屬材料大型關鍵構件的激光增材制造及工業應用。這主要得益于以凝固晶粒、內部缺陷及顯微組織爲核心的冶金質量和性能的控制,以及激光成形件熱應力、變形開裂及結構缺陷控制等理論及技術的進步。同時,近年來多激光器、多振鏡協同的粉床型選區激光熔化SLM裝備及技術的發展,也爲結構複雜的大型整體金屬構件的成形開辟了新途徑。

                          而複雜整體構件、輕量化點陣構件,往往內含複雜內流道、多孔點陣等極端難加工結構,選區激光熔化(0SLM)高精度增材制造技術可實現這些複雜結構的設計與制造。航空航天領域采用SLM技術成形、並獲得工程應用的典型構件包括火箭推進器耐高溫部件、發動機燃油噴嘴、燃燒室導流襯套、商業飛機機艙隔板等。創新結構設計與增材制造技術的融合,爲航空航天等領域輕量化金屬構件的高性能/多功能化及綠色可持續制造帶來新契機。

                          增材制造构件的多功能化发展进程中,結構设计将更加突出生物仿生、生物灵感,通过道法自然,主动实现预期功能。创新发展仿生結構及多材料布局,实现仿生結構激光整体增材制造及多功能化,完成結構、材料、工藝、功能等多因素耦合及一体化调控。其中关键科学难题包括:仿生微結構与构件典型功能的映射关系及优化模型;仿生设计的跨尺度結構激光增材制造工藝约束性及成形机制;激光增材制造仿生結構的多功能一体化评价方法及响应机制等,如圖4所示。


                          4 激光增材制造輕量化抗沖擊仿生功能結構:(a)皮皮蝦尾節宏觀形貌;(b)仿生雙向波紋板抗沖擊結構SLM加工;(c)仿生雙向波紋板結構高度和波長參數對沖擊力效率的影響


                          5. 思考與展望:激光增材制造技術未來的研究與發展趨勢

                          激光增材制造技術的科學內涵決定了其發展趨勢是實現微觀-介觀-宏觀跨尺度的材料-結構-工藝-性能/功能一體化。激光增材制造技術未來的研究與發展趨勢中,下列方向值得進一步關注:

                          1)以高性能/多功能爲驅動的激光增材制造材料-結構-工藝一体化,主动实现构件的高性能和多功能;

                          2)激光增材制造的“多相材料”和“多材料”設計、制備與成形,以實現將“合適的材料添加到合適的位置”;

                          3)激光增材制造创新結構设计实现构件高性能化和多功能化,以凸显“独特的結構实现独特的功能”;

                          4)构建面向全尺寸构件和全工藝流程的激光增材制造工藝仿真、监测、反馈及工藝优化关键技术与方法,全面提升激光增材制造工藝技术水平、质量以及工业应用水平。




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                          南京航空航天大學材料科學與技術學院

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