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ISSN 0412-1961
CN 21-1139/TG
创刊于 1956 年 (月刊)
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铸造Mg-RE合金晶粒细化行为研究现状与展望
轻质高强耐热的镁稀土(Mg-RE)合金大型复杂铸件在航空航天、国防军工装备轻量化等方面展现出独特的优势。对铸造Mg-RE合金进行晶粒细化处理能够显著改善合金的强度、塑韧性以及铸造工艺性能,对拓宽其应用领域意义重大。本文首先基于成分过冷和异质形核,探讨了稀土元素及外加颗粒对镁合金晶粒细化的影响。归纳了适用于铸造Mg-RE合金的化学、物理细化方法及其作用机制,并系统论述了晶粒细化对铸造Mg-RE合金铸造工艺性能、力学性能及腐蚀性能的影响。最. . .
金属学报, 2022 Vol. 58 (4): 385-399    DOI: 10.11900/0412.1961.2021.00519
 
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  2023年, 第59卷, 第1期 刊出日期:2023-01-11 上一期   
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金属增材制造材料设计专刊
金属增材制造材料设计专刊前言
宋波
金属学报. 2023, 59 (1): 0-1.  
摘要   HTML   PDF (857KB)
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综述
金属激光增材制造材料设计研究进展
宋波, 张金良, 章媛洁, 胡凯, 方儒轩, 姜鑫, 张莘茹, 吴祖胜, 史玉升
金属学报. 2023, 59 (1): 1-15.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00026
摘要   HTML   PDF (3014KB)

激光增材制造被公认为是解决个性化、复杂化金属构件整体成形难题的有效技术手段。现有金属增材制造的研究主要从传统合金牌号出发,但基于平衡凝固过程设计的传统合金成分难以满足增材制造的非平衡冶金动力学特点,往往面临高裂纹敏感性、低韧低疲劳、各向异性等共性问题。因此,需要开展面向激光增材制造的新型材料成分设计研究,充分挖掘增材制造非平衡凝固特性的潜在优势与价值。本文综述了铝合金、钛合金、铁基合金、镁合金等不同材料现有合金牌号增材制造的技术瓶颈,以及面向增材制造的材料创新设计方法与新型合金及其复合材料发展的研究进展。最后提出了金属增材制造材料设计的未来发展趋势。

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选区激光熔化 γ' 相强化镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计研究进展
祝国梁, 孔德成, 周文哲, 贺戬, 董安平, 疏达, 孙宝德
金属学报. 2023, 59 (1): 16-30.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00434
摘要   HTML   PDF (4052KB)

传统牌号高强镍基高温合金具有较宽的凝固温度区间、较高比例的低熔点共晶相,在增材制造快速非平衡凝固过程中易产生裂纹等缺陷;同时,热处理过程中残余应力释放和γ'相快速析出导致应变时效裂纹的形成,严重限制了其在激光增材制造领域的应用与推广。基于此,本文综述了近年来国内外研究组及作者团队在选区激光熔化高强镍基高温合金裂纹形成机理与抗裂纹设计(成形工艺参数优化、热处理制度调控以及合金成分设计)领域相关的研究进展,并对激光增材制造γ'相强化镍基高温合金裂纹调控的研究进行了展望。

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镁合金选区激光熔化增材制造技术研究现状与展望
彭立明, 邓庆琛, 吴玉娟, 付彭怀, 刘子翼, 武千业, 陈凯, 丁文江
金属学报. 2023, 59 (1): 31-54.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00166
摘要   HTML   PDF (4676KB)

选区激光熔化(SLM)增材制造技术由于其加工精度高、制造周期短、材料利用率高等优点,在制备高性能复杂金属构件方面具有广阔的应用前景。镁合金是最轻的金属结构材料,具有密度低、比强度和比刚度高、阻尼减震性能好、生物降解性良好等优点。因此,采用SLM技术制备镁合金具有重要的研究价值,有望拓宽镁合金的应用范围。本文针对镁合金SLM增材制造技术,详细介绍了镁合金粉末制备、SLM工艺参数、冶金缺陷、SLM态的显微组织和力学性能、后处理、镁合金专用SLM设备方面的研究进展,并展望了未来镁合金SLM研究的发展方向。

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选区激光熔化NiTi形状记忆合金研究进展
杨超, 卢海洲, 马宏伟, 蔡潍锶
金属学报. 2023, 59 (1): 55-74.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00422
摘要   HTML   PDF (6296KB)

由于NiTi形状记忆合金(SMAs)具有高反应敏感性和低热导率等物性,导致其初步成形件的后续加工十分困难,作为一种典型的金属增材制造技术,选区激光熔化(SLM)在近净成形复杂几何形状的金属构件方面具有显著优越性,能够有效解决NiTi SMAs冷加工难、加工成本高的问题。为实现SLM NiTi SMAs的工程应用,需厘清其工艺参数-微观结构-功能特性的内在联系,揭示其相转变行为与功能特性变化的机理,建立坚实的理论基础。基于此,本文重点对SLM NiTi SMAs的成形性、相转变行为、微观结构、力学性能和热机械性能的相关研究结果进行了分析与总结。同时,对近来SLM多孔NiTi SMAs的设计及其生物相容性的探索研究进行了阐述。最后,本文展望了SLM NiTi SMAs研究过程中需要重点突破的问题。

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基于高通量制备的增材制造材料成分设计
张百成, 张文龙, 曲选辉
金属学报. 2023, 59 (1): 75-86.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00431
摘要   HTML   PDF (4507KB)

增材制造作为一种新型制造技术,为航空航天、交通运输和生物医学等领域带来了革命性变化。但目前增材制造用金属材料仍基于传统合金,部分材料并不适用于高能束加工,性能仍有提高空间。目前的增材制造专用材料开发未脱离传统试错法,效率低下,是制约增材制造材料性能提高的瓶颈问题。本文就增材制造钢、钛合金、铝合金材料现状和问题进行了讨论,并列举增材制造高通量制备和表征技术在材料开发和设计上的应用,结合增材制造高通量制备的原理和特点,最后阐述了增材制造高通量制备和表征技术在材料开发上的机遇和挑战,并对增材制造关键材料开发与成分优化未来的发展方向做出展望。

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计算辅助高性能增材制造铝合金开发的研究现状与展望
高建宝, 李志诚, 刘佳, 张金良, 宋波, 张利军
金属学报. 2023, 59 (1): 87-105.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00430
摘要   HTML   PDF (4990KB)

增材制造技术为高强铝合金复杂零部件的制造带来了前所未有的机遇,但目前增材制造铝合金体系仍局限于可铸造和可焊接的Al-Si系合金,制约了高性能增材制造铝合金的快速发展。近年来,不同尺度的计算方法逐步用于辅助高性能增材制造铝合金的开发。本文详细综述了国内外学者在计算辅助增材制造铝合金设计与制备领域的研究成果,列举了原子、介观和宏观尺度计算模拟及机器学习等计算方法辅助增材制造铝合金设计的代表性案例,分析了不同计算方法辅助合金设计的策略,并指出其不足。最后,针对如何推动多尺度计算在高性能增材制造铝合金开发中的应用进行了展望,并指出其发展方向。

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搅拌摩擦增材制造技术研究进展
李会朝, 王彩妹, 张华, 张建军, 何鹏, 邵明皓, 朱晓腾, 傅一钦
金属学报. 2023, 59 (1): 106-124.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00436
摘要   HTML   PDF (5037KB)

本文归纳总结了国内外的搅拌摩擦增材制造(FSAM)技术的研究进展,搅拌摩擦增材制造具有成形快、增材效率高、过程绿色环保等特点。此外,其作为一种固相增材技术,能够有效避免其他熔化增材方法成形过程中引起的缩松、孔隙等缺陷。目前报道的搅拌摩擦增材制造方法,大致可以分为4大类:轴向增材制造、径向增材制造、消耗型搅拌摩擦工具增材制造和叠加板材增材制造。详细列举了搅拌摩擦增材与激光、电弧增材样品微观组织与性能,阐述了不同增材方法的优缺点和适用领域,介绍了搅拌摩擦增材设备单位及已经开展的初步应用和未来设计的搅拌摩擦增材装置的发展方向,为搅拌摩擦增材技术的进一步应用奠定了基础。

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研究论文
激光热力交互增材制造Ti6Al4V合金的组织及力学性能
卢海飞, 吕继铭, 罗开玉, 鲁金忠
金属学报. 2023, 59 (1): 125-135.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00011
摘要   HTML   PDF (4214KB)

面向航空发动机关键构件长寿命高可靠性需求,针对增材制造中的“控形”和“控性”难题,结合塑性变形“逐层”消除内应力和冶金缺陷的思想,提出了激光热力交互增材制造新方法。基于该方法,以Ti6Al4V合金为研究对象,系统表征了成形件的残余应力和冶金缺陷分布、微观组织演变。并通过拉伸实验,研究了激光冲击处理(表面激光冲击强化和层间无吸收层激光冲击强化)对成形件力学性能的影响。结果表明,激光冲击处理使选区激光熔化(SLM)试样中的残余拉应力转变为残余压应力,并有效改善其内部冶金缺陷。同时,在激光冲击波作用下,粗的α'马氏体中产生了高密度的位错结构和大量2个方向的孪晶,共同促进了α'马氏体的晶粒细化。激光热力交互增材制造Ti6Al4V合金的极限抗拉强度和延伸率分别达到了1543 MPa和15.53%,相比于SLM成形件,分别提高了46.5%和91.5%,具有良好的强度和塑性匹配。

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激光摆动对激光熔化沉积钛合金微观组织及力学性能的影响
方远志, 戴国庆, 郭艳华, 孙中刚, 刘红兵, 袁秦峰
金属学报. 2023, 59 (1): 136-146.   DOI: 10.11900/0412.1961.2021.00600
摘要   HTML   PDF (4786KB)

针对激光熔化沉积冶金组织与缺陷,借鉴激光摆动焊接技术,提出一种激光摆动送粉增材制造TC4钛合金工艺,借助激光原位摆动改变熔池运动轨迹进而影响温度梯度和凝固速率,改善增材制造钛合金的微观组织。利用OM、SEM、EBSD和Vickers硬度计研究了激光摆动送粉增材制造工艺对TC4钛合金微观组织演变及力学性能的影响。结果表明,无摆动激光熔化沉积实验的最佳工艺参数为:激光功率1000 W,扫描速率8 mm/s,送粉速率6.92 g/min;直线型激光摆动的最佳工艺参数为:摆动频率200 Hz,摆动幅度1.5 mm。直线型激光摆动对熔池形貌改善显著,气孔和裂纹等缺陷较少,柱状晶数量和尺寸均有所减小,并且晶粒出现了等轴化的现象。相比无摆动样品,激光摆动后Ti-6Al-4V合金单道区域平均晶粒尺寸从5.20 μm减小到4.37 μm;硬度从418.00 HV提升到428.75 HV。

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粉末粒径对AlSi10Mg合金选区激光熔化成形的影响
王孟, 杨永强, Trofimov Vyacheslav, 宋长辉, 周瀚翔, 王迪
金属学报. 2023, 59 (1): 147-156.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00442
摘要   HTML   PDF (4137KB)

通过模拟仿真与实验结合研究粉末粒径对选区激光熔化(SLM)可加工性的影响。以3种粒径AlSi10Mg粉末为对象,基于离散元和流体力学数值模拟方法研究SLM铺粉和粉末熔化/凝固介观行为,并对成形样品进行宏观成形质量检测。结果表明,铺粉过程中,粒径小于20 μm的粉末剧烈团聚形成大量空隙,粒径大于53 μm粉末易形成少量大的空隙,中等粒径粉末床相对密度比细粒径和大粒径分别高7.69%和3.17%。单层粉末床熔融时,铺粉质量不均匀,细粒径与粗粒径熔道不规则。但经历多层熔化后,细粒径熔道缺陷部分缓解。随着粒径的增加,熔道表面平整度下降,细粒径粉末样品存在较多孔隙,粗粒径粉末存在少量未熔合缺陷。中等粒径粉末SLM可加工性最好,样品相对密度达到99.8%,比细粒径和粗粒径分别高1.4%和0.4%。

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电弧熔丝增材制造2Cr13合金组织与性能各向异性行为
葛进国, 卢照, 何思亮, 孙妍, 殷硕
金属学报. 2023, 59 (1): 157-168.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00414
摘要   HTML   PDF (6091KB)

采用电弧熔丝增材制造(WAAM)技术进行多层单道结构2Cr13构件制备,揭示不同层间停留温度(110~550℃)下2Cr13电弧沉积件组织、性能各向异性演变规律,以实现关键工艺参数调控下力学性能主动控制。结果表明,550℃沉积件内针状马氏体因重熔碎晶呈细长外延状生长并具有略强织构取向,且于马氏体间隙处零散分布着很少量细小不规则逆变奥氏体。550℃沉积件因细晶强化获得了较高强度与硬度,但拉伸性能具有明显各向异性。110~180℃沉积件各区域间板条状马氏体虽大致沿沉积方向生长但无明显织构取向,马氏体晶粒因层间停留温度降低导致冷凝速率增加而略呈细化趋势。110~180℃沉积件因具有相近板条状马氏体组织,其力学性能较相近且呈各向同性。

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原位自生2%TiB2 颗粒对2024Al增材制造合金组织和力学性能的影响
孙腾腾, 王洪泽, 吴一, 汪明亮, 王浩伟
金属学报. 2023, 59 (1): 169-179.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00410
摘要   HTML   PDF (3426KB)

采用激光粉末床熔化(laser powder bed fusion,L-PBF)工艺制备含2% (质量分数)原位自生TiB2颗粒的2024Al-2%TiB2合金和难打印2024Al合金,研究了TiB2颗粒对经固溶(510℃处理1 h后水冷)和T6 (固溶处理后人工时效)热处理后增材制造2024Al合金组织和室温拉伸性能的影响。由于L-PBF冷却速率较快以及TiB2颗粒的添加,2024Al-2%TiB2合金微观组织以等轴晶为主,平均晶粒尺寸约为5.8 μm。T6热处理之后,2024Al合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为(261.3 ± 4.3) MPa、(252.6 ± 2.5) MPa和(0.3 ± 0.1)%;2024Al-2%TiB2合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到(458.2 ± 6.5) MPa、(398.4 ± 2.7) MPa和(3.4 ± 0.4)%;2种合金中析出大量均匀分布、尺寸细小的长条状析出相。T6态2024Al-2%TiB2增材制造合金的抗拉强度与2024Al增材制造合金相比提高75.5%,其强度与2024Al锻造合金强度相当。合金的主要强化机制是位错强化、晶界强化、析出相强化和TiB2颗粒带来的Orowan强化以及载荷传递强化,2种合金热处理后的拉伸断裂失效主要由缺陷控制。原位自生2024Al-2%TiB2增材制造合金成形性较好,经热处理后获得较高的综合室温拉伸性能。

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原位激光定向能量沉积NiTi形状记忆合金的微观结构和力学性能
陈斐, 邱鹏程, 刘洋, 孙兵兵, 赵海生, 沈强
金属学报. 2023, 59 (1): 180-190.   DOI: 10.11900/0412.1961.2022.00425
摘要   HTML   PDF (2852KB)

以Ni粉与Ti粉为原料,采用激光定向能量沉积(LDED)技术制备NiTi形状记忆合金。利用XRD、物相拟合、SEM、EDS和DSC等测试方法,对NiTi合金的显微组织、物相含量和物相转变进行分析,随后采用压缩圆柱样品进行形状记忆效应测试,并评估其形状记忆效应。激光能量密度较低时,NiTi合金中产生大量Ni4Ti3相沉淀,随着激光能量密度增加,Ni4Ti3相消失。激光能量密度为20.0 J/mm2时,NiTi合金具有2878 MPa的压缩断裂强度与34.9%的压缩失效应变,且样品在循环20 cyc后具有88.2%形状记忆恢复率。

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