电磁冲击在线增强金属激光快速成形的机理及关键技术研究

Metal laser rapid prototyping，which means laminated accumulation, can achieve high performance metal parts without mold, rapid, full density near net shape. Residual stress and pore is the main reason for the block of applying on metal forming parts. This project firstly proposed electromagnetic impact online improved metal laser rapid forming, which is a new method aiming at using electromagnetic force to impact on cladding layer still in the high temperature . Under the condition of good plasticity, it can get good effect of impact, so as to reduce residual stress and porosity. This project will focus on the research contents: induction intensity and the distribution of electromagnetic force; The change of the electromagnetic force under different temperature; The mechanism of electromagnetic force to reduce internal stress of metal; Impact of electromagnetic metal laser rapid forming stress and strain; Impact of continuous electromagnetic metal laser rapid forming stress and strain; Impact of electromagnetic metal laser rapid forming a porosity change; Research on key technologies. The applicant has electromagnetic, ultrasonic impact simulation and process experience, can guarantee the successful completion of this project.

金属激光快速成形通过叠层累加，能够实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。残余应力和孔隙是阻碍金属成形件得到广泛应用的主要原因。本项目首先提出电磁冲击在线增强金属激光快速成形这一新方法，旨在利用电磁力对仍处于较高温度的熔覆层进行冲击，在良好塑性的条件下可以得到较好的冲击效果，从而消减残余应力和孔隙率。本课题将着重研究的内容有：感应电磁力的强度、分布；不同温度下电磁力的变化；电磁力消减金属内部应力的机理；电磁冲击下金属激光快速成形应力应变场；连续电磁冲击下金属激光快速成形应力应变场；电磁冲击下金属激光快速成形件的孔隙率变化；对关键技术进行研究。申请人已具备电磁、超声冲击等方面的仿真和工艺经验，可以保障本项目的顺利完成。

金属增材制造作为增材制造体系中前沿且极具潜力的分支，在航空航天、生物医疗、汽车、模具等领域发展前景广阔，特别是近年来发展极为迅猛。但是，由于金属经受了激光或电子束加热至液相线又快速凝固冷却的过程，使得变形和残余应力非常明显。又由于零件变形的规律受影响因素较多，且增材制造的零件大多为单件或小批量，难以形成有效的规律总结，不同特征零件的变形形式也很少可以相互借鉴，这些都导致金属增材制造零件的变形行为很难有效控制。.项目主要研究内容为：①建立电磁冲击在线增强激光熔化沉积的试验系统；②建立电磁冲击在线增强激光熔化沉积的电磁力作用和应力场仿真模型；③建立金属增材制造变形和残余应力的定量研究理论和模型；④工件上表面平行于激光扫描方向应力明显大于垂直于激光扫描方向应力，最大值分别为488MPa和451MPa。施加电磁场后，残余应力降低明显，分别在上表面和深度方向实现40.8%和40%的最大降幅。.电磁冲击在线增强激光熔化沉积为金属增材制造的变形和残余应力控制提供了一种新的方法。进一步的，项目还开展了具有更重要意义的金属增材制造变形和残余应力的定量研究，为突破金属增材制造普遍存在的变形和残余应力调控瓶颈提供了有力的指导，有望推动金属增材制造行业取得突破性进展，并助力我国在金属增材制造行业取得国际领先地位。