金属高性能去应力双光束激光冲击锻打复合增材制造基础研究

The bottleneck problem of“thermal stress and deformation cracking”and“internal quality and mechanical performance”will be a long-term constraint on the development and application of laser additive manufacturing high performance large metal parts, which will decide whether the technology can be fully utilized and extended to engineering applications. Dual beam laser shock- forging hybrid additive manufacturing is a new method, namely the first laser cladding 3D forming parts, and precise control of shock waves induced by second laser beam on the metal cladding layer to plastic deformation. It eliminates the internal defects and the thermal stress of the metal cladding layer, improves the internal quality and mechanical properties of the metal parts, and effectively controls the macroscopic deformation and cracking. Its core innovation thought is that make the "free additive forming" into "constraints additive forming” by laser shock forging, laser cladding forming and shock-forging synergistic effect, until the completion of manufacturing metal parts. The main research contents are as follows: laser shock forging mechanism and mechanical behavior, the formation of internal metallurgical defects and deformation crack prevention and control, manufacturing process, microstructure and mechanical properties test and analysis etc..

“热应力与变形开裂”和“内部质量与力学性能”是长期制约高性能大型金属构件激光增材制造发展和应用的瓶颈难题，更是决定该技术优势能否得以充分发挥并走向工程应用推广的基础。本项目提出双光束激光冲击锻打复合增材制造新方法，即第一束激光熔敷3D成形零件，同时精确控制第二束激光束诱导的冲击波对金属熔覆层易塑性变形温度区进行冲击锻打，使其发生塑性变形、消除金属熔敷层的气孔等内部缺陷和热应力，提高金属零件的内部质量和机械力学综合性能，有效控制宏观变形与开裂。其核心创新思想是通过激光冲击锻打将激光熔敷的“自由增材成形”改变成“约束增材成形”，激光熔敷成形与冲击锻打相互协同作用，直至完成整个金属零件制造。主要研究内容：激光冲击锻打约束下熔敷金属内部冶金缺陷形成机制及力学行为、熔敷金属内应力演化规律及构件变形开裂预防控制、制造工艺、微观组织与力学性能测试分析等。

1.研制了世界首套激光熔覆锻打复合增材制造装备系统。可以实现激光冲击强化、激光冲击成形校形、激光熔覆、激光熔覆锻打等多项功能。具体研制内容如下：.①变脉冲宽度、单纵模、高重复频率、高功率固体激光器。以多年自主研发具有自主知识产权的激光器为基础，开发出性价比高的激光器，技术指标国际先进，填补国内空白。.②激光熔覆锻打复合增材制造工艺与装备。以金属压铸模具为研究对象，研究金属双激光冲击锻打3D成形与强化新机制、新效应与新工艺。形成高性能长寿命低成本双光束激光冲击锻打复合增材制造新技术与理论，该技术的提出与应用均属世界首次。.经中国机械工程学会组织的技术鉴定：国内首创，整体技术处于国际同类技术先进水平。.2.采用多功能双激光锻造装备以316L不锈钢和H13模具钢为研究对象，对比激光冲击锻打对熔覆层组织及性能的影响：.①研究了不同激光冲击锻打工艺参数对残余应力、硬度的影响以及对3D打印316L不锈钢成型件微观形貌和组织的影响规律。实验表明：当激光能量越大，残余压应力和表面硬度也越大，当重复频率越大，表面硬度也越来越大，当深度越深，硬度值先增大后减小，与激光熔化沉积试样相比，10Hz，8J激光冲击锻打成型件在深度方向的最大硬度值提升了21.74%。.②研究了激光熔化沉积试样和激光冲击锻打试样的摩擦磨损性能。实验表明：与激光熔化沉积摩擦磨损试样相比较，激光冲击锻打摩擦磨损试样的摩擦系数、磨痕宽度和深度、磨损量和磨损率均较低，316L不锈钢抗磨损性能明显增加。.③研究了不同激光冲击锻打工艺参数对H13模具钢熔覆层质量、内部组织等性能的影响。实验显示：激光冲击锻打对激光熔覆内部气孔有明显改善，主要影响因素是激光能量，激光能量和频率的增大都能减小熔覆层内部气孔大小，都能使熔覆层晶粒细化且分布更为致密，随着频率增加，晶粒细化程度越均匀，锻打前后晶粒尺寸范围分别为15-45um和5-25um。.3.授权中国发明专利11件、实用新型专利1件，申请并实审中的中国发明专利2件，申请PCT2件，其中1件已授权美国发明专利；已发表论文10篇，其中SCI4篇，中文核心6篇，已投稿在审SCI论文4篇；培养研究生13名，其中博士1名、硕士12名；制订企业标准3项，获得4项软件著作权；参与获得2019年度江苏省科学技术奖一等奖1项；参加相关学术会议13人次。