高频微锻造作用下激光金属直接成形的相关基础问题

利用实验方法研究高频微锻造作用下激光快速凝固金属直接成形件中的残余应力、微孔洞与裂纹、组织结构与宏观力学性能。沟通工艺参数与激光快速凝固金属直接成形件机械性能的关系。为制备高性能的激光快速凝固金属直接成形件，获取优化的微锻造工艺参数与激光快速凝固过程的匹配。利用动力学理论与有限元热力耦合建模的方法分析高频微锻造诱发的表面压应力及其作用下的细观塑性变形；高频微锻造诱发的表面压应力与激光快速凝固金属直接成形过程中产生的热拉应力的叠加效应。利用细观力学原理与结晶学理论研究激光快速凝固金属直接成形件内微米级分形结构状裂纹（弱结合界面）与孔洞的形成机制及其随后在高频微锻造作用下的愈合行为。在微米尺度和连续介质二个层面阐明高频微锻造对激光快速凝固金属直接成形件变形开裂的控制作用；阐明高频微锻造改进激光快速凝固金属直接成形件力学性能的作用机制。探讨高频微锻造作用下激光直接制备高性能金属件的新方法。

研制出的侧向送粉装置，能更准确将粉末送到激光熔池，并减少了粉末在激光成形过程中的氧化，提高了成形件的成形精度与性能。 研制出了专用高频微锻造机构并与现有激光成形系统实现了配合联动。利用上述自行改制的实验平台，本项目采用实验方法研究了高频微锻造对激光快速凝固金属直接成形试件中残余应力、微孔洞与裂纹、组织结构、宏观力学性能的影响规律。利用动力学理论与有限元热力耦合建模的方法分析了高频微锻造诱发的表面压应力及其作用下的细观塑性变形；高频微锻造诱发的表面压应力与激光快速凝固金属直接成形过程中产生的热拉应力的叠加效应。利用细观力学原理与结晶学理论研究了激光快速凝固金属直接成形件内微米级分形结构状裂纹（弱结合界面）与孔洞的形成机制及其随后在高频微锻造作用下的愈合行为；阐明了高频微锻造改进激光快速凝固金属直接成形件力学性能的作用机制。结果表明：微锻造使成形试件内部缺陷得到一定程度的愈合、缺陷面积减少达41%；相同载荷下缺陷区的等效应力明显下降；激光成形不锈钢试件固有的规则枝状结晶组织被锻碎、晶粒细化；微锻前，激光快速成形304不锈钢试样的抗拉强度在537 MPa～801MPa之间波动、标准离差为91，屈服强度在248MPa～509MPa之间、标准离差为98；微锻后，304不锈钢试样的抗拉强度在743 MPa～818MPa之间、标准离差为32，屈服强度在358MPa～524MPa之间波动、标准离差为61；试样的平均拉伸强度提高了10%，屈服强度提高了15%，标准离差却分别减少了64.84%和37.76%；微锻造使试件塑性明显提高，伸长率由约7%提高到约13%，；微锻造后试样表面硬度值达到45HRC，比微锻前提高了76%;高频微锻造使激光成形304不锈钢试件表面平均残余拉应力（46～107MPa）变成了残余压应力(16～72 MPa)；改进的二维ICT图像分割的健壮统计尺度区域拟合模型收敛速度更快、抗噪声能力更强、并用ICT技术直接展示了激光快速成形304不锈钢试样内部缺陷分布的几何特征。研究成果己成功应用于大型工件的再制造，再制造后的零部件激光成形区域结构致密、成形层与基材结合界面剪切强度达到703.49～712.90MPa，取得了很好的效果。己发表SCI收录论文4篇、EI收录论文5篇、核心期刊论文5篇、另一篇论文己被SCI国际源刊录用；获实用新型专利授权一项、发明专利公开一项。