原创 金属增材制造过程的在线监测研究综述

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原创 金属增材制造过程的在线监测研究综述

原标题:金属增材制造过程的在线监测研究综述

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增材制造(Additive manufacture-AM)是一项新兴的材料加工技术,发展了近三十年的时间,该技术以激光、电子束、电弧等热源作为加工工具,根据零件的三维模型数据,采用材料逐层堆积的方法直接制造出实体零件[1,2],金属增材制造是指实验材料为金属材料的增材制造过程。该技术具有加工材料广、制造周期短、环境污染少、易加工结构复杂的零件等优点,目前已广泛应用于诸多领域[3-6],且由于该技术可实时改变送粉率,从而改变部件的元素成分和显微组织,因此可制造出不同位置具有不同性能的零部件,即功能梯度性零件,如飞机发动机叶片需要使用具有功能梯度的钛合金[7],但一直以来由于缺少对金属AM过程进行在线监测,零件的质量无法得到保障,这阻碍了该技术在诸如航空航天等高精尖领域的深入应用。零件的质量和尺寸精度受工艺参数、外部因素及熔池的温度及尺寸等多种因素影响,以熔池温度为例,当熔池温度过高,会导致零件的烧蚀;当熔池温度过低,会导致零件的实际尺寸小于理论加工尺寸[8-9],熔池温度还会影响晶粒的形成和相变从而影响金属零件的显微组织,最终影响零件的机械性能(如显微硬度、韧性[10])。功能梯度材料需要零部件在特定位置具有特定的元素成分和显微组织,但由于缺少对元素成分和显微组织的在线监测,这种零部件的开发和制造也受到了阻碍。因此研究金属增材制造过程的在线监测对提高零件质量、尺寸精度和促进功能梯度性部件的开发和制造均具有重要的意义。

目前为止增材制造在线监测的综述主要包括国内外两个部分,国内有胡晓冬等人[7]总结了激光熔覆过程中温度检测与控制系统的研究;解瑞东等人[11]总结了激光金属成形缺陷在线检测与控制技术的研究;熊俊等人[12]总结了电弧增材制造技术成形控制的研究现状并指出目前在成形控制的研究已经取得了较大进展,但是仍存在成形过程稳定性差、成形精度低控形柔性差等不足。国外有Everton S K等人[13]和Tapia G等人[14]对粉末床熔化(Powder bed fusion-PBF)和直接能量沉积(Direct energy deposition-DED)过程的在线监测进行了综述;Thompson S M等人[15]对AM在线监测过程中使用的测量方法进行了总结;Liu Wei Wei等人[16]对控制系统的被控对象和控制方法进行了总结。综合国内外综述发现无关于熔池温度和尺寸以及元素成分和显微组织在线监测的综述,因此本文以熔池温度和尺寸以及元素成分和显微组织为切入点,综述这四种在线监测系统的研究进展,并在已有的研究成果的基础上提出现存的问题以及未来的发展方向。

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