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静磁场辅助金属增材制造技术研究进展

中国材料进展 2024年第4期43卷 311-322页

作者：杜大帆董安平祝国梁雷力明孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240 中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司上海201306

增材制造作为一种新型的材料加工技术,具有制造周期短、材料利用率高和可制备结构复杂零件等优势,可以为定制形状复杂的产品开辟新途径,目前该技术在装备、材料、工艺、标准等方面都呈现迅猛发展之势,尤其在航空航天等高端制造领域展示... 详细信息

增材制造作为一种新型的材料加工技术,具有制造周期短、材料利用率高和可制备结构复杂零件等优势,可以为定制形状复杂的产品开辟新途径,目前该技术在装备、材料、工艺、标准等方面都呈现迅猛发展之势,尤其在航空航天等高端制造领域展示出了极大的应用前景。然而,对增材制造金属材料的组织、缺陷演化机理尚不明确,极大地制约了增材制造技术的大规模应用。外加物理能场作为外界辅助手段可以直接对金属材料制备过程的物理变化和化学反应过程产生影响,因而被用来控制其变化或反应过程。在金属增材制造过程施加外部磁场,可以影响其微熔池冶金过程、微观组织和力学性能。介绍了静磁场对金属凝固过程的影响的基本效应,并着重介绍了静磁场对3种具有代表性的增材制造方法,即:激光定向能量沉积、粉末床激光熔融和电弧送丝增材制造方法的成形过程、组织和性能的影响机制,从材料、方法和应用的角度综述了静磁场辅助下金属增材制造领域的研究进展。此外,指出了静磁场辅助金属增材制造技术面对的挑战,并讨论了未来发展趋势。

关键词：金属材料增材制造静磁场组织力学性能

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Al-20%Cu多晶粒竞争生长的原位观测及汇聚型枝晶淘汰模型构建（英文）

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第7期 2095-2107页

作者：李发国周莲谢玉张佼 Mike DODGE 尹付成孙宝德湘潭大学材料科学与工程学院湖南省材料设计与制备技术重点实验室宝山钢铁有限公司中央研究院上海交通大学材料科学与工程学院 TWI Ltd

采用同步辐射成像技术研究Al-20%Cu(质量分数)亚共晶合金的晶粒竞争生长动力学，并建立与实验结果相一致的数学模型。结果表明，对于发散型竞争生长，遵循“正常淘汰”规则。对于汇聚型竞争生长，成分过冷的作用加速非择优取向晶粒中一... 详细信息

采用同步辐射成像技术研究Al-20%Cu(质量分数)亚共晶合金的晶粒竞争生长动力学，并建立与实验结果相一致的数学模型。结果表明，对于发散型竞争生长，遵循“正常淘汰”规则。对于汇聚型竞争生长，成分过冷的作用加速非择优取向晶粒中一次枝晶臂的生长速度，导致非择优取向枝晶出现“异常淘汰”现象，淘汰择优取向枝晶。探讨汇聚型竞争生长的“正常淘汰”与“异常淘汰”之间的临界条件，建立枝晶生长速率、枝晶臂间距和枝晶倾斜角之间的数学关系，又称“二次枝晶臂阻挡模型”，可以快速预测晶界位相和淘汰类型。

关键词：竞争生长同步辐射成像定向凝固数学模型 Al-Cu合金

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镍基高温合金反重力铸造压力曲线设计与验证

航空材料学报 2024年第2期44卷 143-150页

作者：隋大山麻晋源许圆王迪董安平孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院塑性成形技术与装备研究院上海200030 上海工程技术大学材料科学与工程学院上海201620 上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料与精密成形重点实验室上海200240

针对镍基高温合金反重力铸造工艺中传统压力曲线设计方法的不足,充分考虑铸件沿充型方向的变截面结构特征,通过CAD软件的二次开发,实现铸件截面积的自动计算,以定量化描述铸件的截面变化特征。基于伯努利方程和流量守恒方程,推导出充型... 详细信息

针对镍基高温合金反重力铸造工艺中传统压力曲线设计方法的不足,充分考虑铸件沿充型方向的变截面结构特征,通过CAD软件的二次开发,实现铸件截面积的自动计算,以定量化描述铸件的截面变化特征。基于伯努利方程和流量守恒方程,推导出充型压力与金属液面上升速度之间的关系,提出基于铸件截面积自动计算的新型压力曲线设计方法。在此基础上,对镍基高温合金铸件的反重力铸造过程进行数值分析。充型模拟结果表明:与传统压力曲线设计方法相比,新型设计方法确定的压力曲线能使最小截面处充型速度峰值由0.611 m/s降至0.439 m/s,降幅达28.15%,有效避免金属液震荡和飞溅;同时可缩短充型时间,确保金属液快速平稳充型。水力学实验和浇注实验表明,新型压力曲线的充型液面更平稳,能有效抑制铸造缺陷,证明新型压力曲线设计方法的有效性,为合理设计反重力压力曲线提供依据。

关键词：镍基高温合金反重力铸造压力曲线变截面数值模拟

航空发动机用高温合金复杂薄壁精密铸件尺寸精度控制技术研究进展

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航空材料学报 2024年第2期44卷 31-44页

作者：崔加裕汪东红肖程波疏达孙宝德官邦丁正一上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240 中国航发北京航空材料研究院先进高温结构材料重点实验室北京100095

高温合金主要应用于涡轮后机匣、扩压器、预旋喷嘴等航空关键热端部件,采用整体精密铸造技术取代“分体铸造+焊接”成形方法,可减少零件数量和加工工序、提升可靠性、减轻质量,是航空发动机先进材料加工关键核心技术之一。然而复杂薄壁... 详细信息

高温合金主要应用于涡轮后机匣、扩压器、预旋喷嘴等航空关键热端部件,采用整体精密铸造技术取代“分体铸造+焊接”成形方法,可减少零件数量和加工工序、提升可靠性、减轻质量,是航空发动机先进材料加工关键核心技术之一。然而复杂薄壁构件液态精密成型存在尺寸超差难题,导致发动机气动性能降低,装配精度下降,是长期制约我国航空发动机关键构件制造质量的瓶颈问题。本文综述目前国内外在高温合金精密铸造尺寸精度控制方面的研究进展,并对基于数字化和智能化技术的发展趋势进行了前瞻性分析和探讨,未来迫切需要构建液态精密成型数字孪生平台,发展更先进的尺寸变形精准定量智能预测方法以及压蜡模具内腔型面设计理论。

关键词：航空发动机高温合金尺寸精度控制熔模精密铸造复杂薄壁

基于机器学习的Al-Zn-Mg-Cu合金快速设计

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2024年第3期34卷 709-723页

作者：隽永飞牛国帅杨旸徐子涵杨健唐文奇姜海涛韩延峰戴永兵张佼孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室和金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海交通大学计算机科学与工程系上海200240 上海交通大学先进船舶和深海勘探协同创新中心上海200240

提出一种基于机器学习的合金快速设计系统(ARDS),以定制所需性能的合金制备策略或预测制备策略所对应的合金性能。为此,分别对3种回归算法:线性回归(LR)、支持向量回归(SVR)和人工神经网络(BPNN)进行建模和比较以训练多性能预测模型。其... 详细信息

提出一种基于机器学习的合金快速设计系统(ARDS),以定制所需性能的合金制备策略或预测制备策略所对应的合金性能。为此,分别对3种回归算法:线性回归(LR)、支持向量回归(SVR)和人工神经网络(BPNN)进行建模和比较以训练多性能预测模型。其中,应用SVR构建的机器学习模型被证明是最佳的。然后,基于生成对抗网络(GAN)模型原理,构建Al-Zn-Mg-Cu系铝合金快速设计系统(ARDS)。对ARDS的预测可靠性进行验证。结果表明,为了能够获得准确的制备策略,系统中极限抗拉强度(UTS)、屈服强度(YS)和伸长率(EL)的输入上限分别约为790 MPa、730 MPa和28%。此外,基于ARDS预测结果,制备了一种性能优异的新型铝合金材料,其UTS为764 MPa、YS为732 MPa、EL为10.1%,进一步验证了ARDS的可靠性。

关键词：机器学习合金快速设计系统 Al-Zn-Mg-Cu合金力学性能

增材制造VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金的组织及力学性能

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材料热处理学报 2024年第3期45卷 38-45页

作者：王俊锋吴明旭王舒滨何毅杨超汪东红疏达孙宝德上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 中国航发商用航空发动机有限责任公司材料工程部上海200241

高熵合金与增材制造技术的结合,为极端服役环境下结构复杂部件的一体化制造提供了新的思路。采用激光熔化沉积(LMD)技术成功制备了VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金,通过显微组织分析筛选出最佳激光功率参数,并对试样进行了室温及高温压缩... 详细信息

高熵合金与增材制造技术的结合,为极端服役环境下结构复杂部件的一体化制造提供了新的思路。采用激光熔化沉积(LMD)技术成功制备了VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金,通过显微组织分析筛选出最佳激光功率参数,并对试样进行了室温及高温压缩性能测试。结果表明:VNbTiSi轻质难熔共晶高熵合金表现出了优异的打印性能,最佳工艺参数下制备得到的样品在宏观和微观上均没有出现裂纹。在合金底面及沿构建方向,熔池内部与熔池边界(搭接处)均呈现出不同的形貌,熔池内部由柱状的全共晶组织构成,共晶胞为熔池边界出现较为粗大的(Nb, X)5Si3初生硅化物相。相比铸态组织,激光熔化沉积使得共晶组织的片层间距显著细化。增材制造合金不仅在1000℃下压缩强度可达640 MPa,在1100℃时依然能够保持高于500 MPa的压缩强度,高温压缩性能显著优于铸态VNbTiSi合金。

关键词：难熔高熵合金增材制造共晶片层间距高温压缩

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3D打印镍基高温合金研究进展

精密成形工程 2024年第7期16卷 76-95页

作者：曹祎凡王瑞孙宝德李思彤谭庆彪贺戬孔德成祝国梁无上海交通大学材料科学与工程学院上海200240 上海交通大学上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室上海200240 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200240

金属3D打印技术依照三维模型进行复杂几何形状构件的制造,可以制造传统制造手段无法实现的复杂结构,已经成为复杂高温合金构件成形的重要技术手段。然而,当采用3D打印工艺制备镍基高温合金构件时,存在原料/能量源/熔池之间的相互作用,... 详细信息

金属3D打印技术依照三维模型进行复杂几何形状构件的制造,可以制造传统制造手段无法实现的复杂结构,已经成为复杂高温合金构件成形的重要技术手段。然而,当采用3D打印工艺制备镍基高温合金构件时,存在原料/能量源/熔池之间的相互作用,并在大温度梯度、极快冷等条件下会进行非平衡凝固,这些特殊的过程决定了3D打印镍基高温合金有着不均匀的微观组织与各向异性的力学性能。现阶段,对增材镍基高温合金微观结构-性能-使役行为的理解比较欠缺,严重限制了其在工业领域的广泛应用。本文讨论了3D打印镍基高温合金的特点;归纳了不同制粉方式、粒径比、粉末成分、缺陷、流动性等粉末原材料特性对3D打印镍基高温合金冶金质量的影响;梳理了3D打印激光能量、扫描速度、扫描间距等工艺参数对镍基高温合金晶粒、析出相及偏析等微观组织的影响;讨论了影响3D打印镍基高温合金拉伸、蠕变及疲劳性能的因素。最后,总结了3D打印镍基高温合金发展过程中面临的问题及可能的对策,提出了一些值得探索的方向。

关键词：高温合金 3D打印粉末制备组织性能

增材制造FeCoNiAl系高熵合金的研究进展

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铸造技术 2024年第3期45卷 208-227页

作者：孙沁瑶杜大帆董安平赵凯陈彪孙宝德上海交通大学上海市先进高温材料及其精密成形重点实验室及上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海航天设备制造总厂有限公司上海200245 西北工业大学凝固技术国家重点实验室陕西西安710072

FeCoNiAl系高熵合金在面心立方的FeCoNi基体中引入体心立方相稳定元素Al及其他合金化元素,因此表现出独特的显微组织、力学性能和功能性,具有广阔的工业应用前景。近年来,增材制造技术为制造超细晶粒和几何复杂的高熵合金零件提供了技... 详细信息

FeCoNiAl系高熵合金在面心立方的FeCoNi基体中引入体心立方相稳定元素Al及其他合金化元素,因此表现出独特的显微组织、力学性能和功能性,具有广阔的工业应用前景。近年来,增材制造技术为制造超细晶粒和几何复杂的高熵合金零件提供了技术支持,引起研究人员的广泛关注。本文从打印工艺、显微结构、性能、缺陷和后处理等方面综述了增材制造FeCoNiAl系高熵合金的新进展。系统总结了几种典型增材制造技术,并讨论不同工艺下FeCoNiAl系高熵合金的晶体结构、显微组织及其相应的性能,阐述增材制造过程中与快速凝固和复杂热循环有关的缺陷形成机制。此外,介绍并总结了几种旨在进一步提高FeCoNiAl系高熵合金性能的后处理方法。最后,展望了增材制造高熵合金未来的研究方向,以解决面临的挑战,加快其在工业领域的应用。

关键词：增材制造 FeCoNiAl系高熵合金相转变性能后处理

庆祝上海交通大学材料科学与工程学院建院70周年专刊前言

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金属学报 2022年第4期58卷 I0001-I0002页

作者：丁文江孙宝德上海交通大学材料科学与工程学院上海200240

材料是人类文明发展的里程碑,是科技进步的物质基础。上海交通大学是中国最早建立材料科学与工程学科的高校之一。上海交通大学材料科学与工程学院自1997年由材料科学系和材料工程系合并而成,所属的金属热处理专业在1952年就已设立。学... 详细信息

材料是人类文明发展的里程碑,是科技进步的物质基础。上海交通大学是中国最早建立材料科学与工程学科的高校之一。上海交通大学材料科学与工程学院自1997年由材料科学系和材料工程系合并而成,所属的金属热处理专业在1952年就已设立。学院拥有一级学科“材料科学与工程”,是国内首批国家重点一级学科,2017年被列为教育部双一流重点建设学科。2021年QS材料学科排名升至第20位,连续十多年入围ESI 1‰学科。

关键词：上海交通大学学科排名双一流材料科学与工程金属热处理科技进步材料工程系一级学科