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Microstructure and fatigue behavior of laser-powder bed fusion austenitic stainless steel

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Journal of Materials Science & Technology 2020年第11期42卷 191-200页

作者： chenfan yu Peng Zhang Zhefeng Zhang Wei Liu School of Materials Science and Engineering Tsinghua UniversityBeijing 100084China Laboratory of Fatigue and Fracture For Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China

The microstructures and stress-controlled fatigue behavior of austenitic stainless steel(AISI 316 L stainless steel)fabricated via laser-powder bed fusion(L-PBF)technique were *** L-PBF process,zigzag laser scanning strategy(scan rotation between successive layer was 0°,ZZ sample)and crosshatching layer scanning strategy(scan rotation between successive layer was 67°,CH sample)were *** inducing different thermal history,it is found that the scan strategies of laser beam have a significant impact on grain size and *** cracks generally initiated from persistent slip bands(PSBs)or grain boundaries(GBs).It is observed that PSBs could transfer the melt pool boundaries(MPBs)*** MPBs have better strain compatibility compared with grain boundaries(GBs),thus MPBs would not be the initiation site of fatigue cracks.A higher fatigue limit strength could be achieved by employing a crosshatching scanning *** the CH sample,fatigue cracks also initiated from GBs and ***,fatigue crack initiated from process-induced defects were observed in ZZ sample in high-cycle *** microstructures and defects characteristics are important factors affecting the fatigue performance of L-PBF 316 L ***-induced defects originated from fluid instability can be effectively reduced by adjusting the laser scan strategy.

关键词： Laser-powder bed fusion Austenitic stainless steel Microstructures Fatigue crack

Effect of Build Direction on Fatigue Performance of L-PBF 316L Stainless Steel

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Acta Metallurgica Sinica(English Letters) 2020年第4期33卷 539-550页

作者： chenfan yu yuan Zhong Peng Zhang Zhenjun Zhang Congcong Zhao Zhefeng Zhang Zhijian Shen Wei Liu State Key Laboratory of New Ceramic and Fine Processing School of Materials Science and EngineeringTsinghua UniversityBeijing 100084China Department of Materials and Environmental Chemistry Arrhenius LaboratoryStockholm University10691 StockholmSweden Laboratory of Fatigue and Fracture for Materials Institute of Metal ResearchChinese Academy of SciencesShenyang 110016China

The microstructure and fatigue and tensile properties of 316 L stainless steel fabricated via laser powder bed fusion(L-PBF)were *** 316 L stainless steel specimens with different loading directions which are either perpendicular to or parallel to building direction were prepared by L-PBF *** results of X-ray diffraction tomography showed that there was no significant difference in morphology and size/distribution of the defects in the HB and VB *** long axis of columnar grains is generally parallel to the build direction,the fatigue crack encounters more grain boundaries in VB samples under cyclic loading,which led to enhanced fatigue resistance of VB samples compared with HB *** contrast to HB sample,the VB sample has a higher fatigue strength due to a higher resistance to localized plastic deformation under cyclic *** differences in fatigue properties of L-PBF 316 L SS with different build directions were predominantly controlled by solidification microstructures.

关键词： Austenitic stainless steel Laser powder bed fusion Tensile properties Fatigue strength

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航天器密封舱结构的安定分析与优化

中国机械工程 2022年第20期33卷 2502-2508页

作者：王新陈耕刘峰余晨帆张乐乐北京交通大学机械与电子控制工程学院北京100044 北京交通大学轨道车辆运用工程国家国际科技合作基地北京100044 北京空间飞行器总体设计部北京100094

壁板式密封舱结构是返回式航天器的主要金属部件,其载荷复杂、可靠性要求高、结构优化目标不易实现。由于以弹性极限为核心的传统设计方法难以在保证强度的前提下有效实现结构减重,提出了一种基于安定理论的密封舱结构设计与优化方法。... 详细信息

壁板式密封舱结构是返回式航天器的主要金属部件,其载荷复杂、可靠性要求高、结构优化目标不易实现。由于以弹性极限为核心的传统设计方法难以在保证强度的前提下有效实现结构减重,提出了一种基于安定理论的密封舱结构设计与优化方法。使用Abaqus参数化建模方法对不同参数组合下的模型进行了批量化安定分析,在得到各种设计构型的安定载荷因子后进行了详尽的敏感度分析,综合考虑了各构型的质量强度关系并给出了效率较高的设计方案。研究结果表明,将安定分析用于密封舱结构,可以在保持质量不变的前提下,通过优化结构尺寸有效提高承载能力。

关键词：安定密封舱参数化建模结构优化

激光选区熔化316L不锈钢凝固特征与微观组织结构

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材料科学与工艺 2023年第4期31卷 24-33页

作者：余晨帆王亚飞赵聪聪刘伟北京空间飞行器总体设计部北京100094 华为技术有限公司广东深圳518129 季华实验室广东佛山528200 清华大学材料学院北京100084

对不同工艺参数下激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形316L不锈钢微观组织结构进行表征,研究不同工艺参数下SLM成形316L不锈钢微观组织结构演化规律、单熔化道凝固特性。结果表明,SLM成形316L不锈钢具有跨尺度、非均质凝固... 详细信息

对不同工艺参数下激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形316L不锈钢微观组织结构进行表征,研究不同工艺参数下SLM成形316L不锈钢微观组织结构演化规律、单熔化道凝固特性。结果表明,SLM成形316L不锈钢具有跨尺度、非均质凝固组织特征,包括微米尺度柱状晶粒、小角晶界、熔池界面和纳米尺度亚结构。单熔化道的稳定成形是三维块体成形的基础,熔化道稳定性由激光工艺参数与金属粉体物理特性共同决定。不同的激光工艺参数显著影响SLM成形316L不锈钢微观组织结构,通过改变激光参数可实现微观组织结构的调控,在不同的激光逐层旋转角度下,SLM成形316L不锈钢晶粒尺寸随着扫描间距的增大而增大。强制定向热流使得外延生长机制主导凝固晶粒的生长,在不同的激光工艺参数下,沿增材方向的柱状晶粒形貌普遍存在。

关键词：奥氏体钢激光选区熔化 316L 凝固特征微观组织

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载人航天器常见密封结构的失效分析

航天器工程 2023年第4期32卷 53-59页

作者：常洁李小琪余晨帆陈同祥北京空间飞行器总体设计部北京100094

载人航天器密封结构有低漏率、高可靠、长寿命等要求。文章对载人航天器中的穿舱法兰、舱门、阀门等密封结构及其典型的失效模式进行了分析。对于静密封,针对压缩量过大导致橡胶密封圈加速老化和低温下导致橡胶密封圈接触应力降低的原... 详细信息

载人航天器密封结构有低漏率、高可靠、长寿命等要求。文章对载人航天器中的穿舱法兰、舱门、阀门等密封结构及其典型的失效模式进行了分析。对于静密封,针对压缩量过大导致橡胶密封圈加速老化和低温下导致橡胶密封圈接触应力降低的原因进行了剖析;对于动密封,分析了剪切应力过大导致橡胶密封件疲劳磨损、长期静置导致粘附和密封槽设置不合理导致局部压缩量不足等现象。通过对失效机理的分析,结合改进措施的仿真分析验证和试验验证效果,提出了各类典型结构部位、在不同使用条件下的密封设计规范。

关键词：载人航天器密封失效压缩低温疲劳粘附

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优化技术在航天器结构设计中的应用

载人航天 2022年第5期28卷 660-665页

作者：常洁成志忠梁东平许焕宾余晨帆李小琪北京空间飞行器总体设计部北京100094

针对某航天器相机安装支架结构设计时安装边界条件差、重量要求苛刻、力学性能要求高等难点,研究支架构型最优解。分别以最高基频和最小体积作为目标函数进行拓扑优化,完成多目标优化。在拓扑优化基础上,针对梁系长度、梁系分布、截面面... 详细信息

针对某航天器相机安装支架结构设计时安装边界条件差、重量要求苛刻、力学性能要求高等难点,研究支架构型最优解。分别以最高基频和最小体积作为目标函数进行拓扑优化,完成多目标优化。在拓扑优化基础上,针对梁系长度、梁系分布、截面面积,进一步完成多参数优化,并结合工程实现得到最优的支架结构。有限元建模分析结果表明:重量较原设计方案轻49%,基频高22%,强调裕度大于2;设计效率更高、结构性能更优。支架已随航天器通过了飞行试验考核验证。

关键词：航天器拓扑多目标优化参数优化

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选区激光熔化316L不锈钢的拉伸性能

金属学报 2020年第5期56卷 683-692页

作者：余晨帆赵聪聪张哲峰刘伟清华大学材料学院北京100084 中国科学院金属研究所沈阳110016

对选区激光熔化(selective laser melting,SLM)316L不锈钢的拉伸性能及断裂机制进行了研究,并对拉伸断裂后的试样进行显微组织表征与分析,探究了拉伸变形过程中微观组织的演化规律。结果表明:采用选区激光熔化技术制备的316L不锈钢具有... 详细信息

对选区激光熔化(selective laser melting,SLM)316L不锈钢的拉伸性能及断裂机制进行了研究,并对拉伸断裂后的试样进行显微组织表征与分析,探究了拉伸变形过程中微观组织的演化规律。结果表明:采用选区激光熔化技术制备的316L不锈钢具有较好的强塑性匹配,其中晶粒内部纳米尺度胞状结构有助于强度的提升;其拉伸性能明显优于传统手段制备的316L不锈钢。选区激光熔化316L不锈钢在拉伸过程中奥氏体晶粒内部产生形变孪晶,并且形变孪晶的出现存在取向相关,在取向接近的晶粒中不易出现,而在取向接近-的晶粒中较易出现。

关键词：选区激光熔化 316L不锈钢拉伸性能形变孪晶

不同强度级别帘线钢中Ti(C_xN_(1-x))夹杂分析

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武汉科技大学学报 2015年第4期38卷 241-244,293页

作者：余晨帆薛正良武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室湖北武汉430081

在真空感应炉中熔炼出3种Ti、N含量相近但强度级别不同的帘线钢钢锭,研究钢液凝固过程中析出碳氮化钛(Ti(CxN1-x))夹杂的尺寸分布特点及其连续固溶体中TiC所占比例与钢中碳含量之间的关系。结果表明,帘线钢在凝固过程中的固液两相区温... 详细信息

在真空感应炉中熔炼出3种Ti、N含量相近但强度级别不同的帘线钢钢锭,研究钢液凝固过程中析出碳氮化钛(Ti(CxN1-x))夹杂的尺寸分布特点及其连续固溶体中TiC所占比例与钢中碳含量之间的关系。结果表明,帘线钢在凝固过程中的固液两相区温度随钢液碳含量的升高而降低,可使Ti(CxN1-x)夹杂析出的过饱和度增大,有利于其在钢液凝固过程中析出与长大。随着帘线钢强度级别的提高,钢样中尺寸大于4μm的钛夹杂的比例增加,其平均尺寸也相应增大;72A亚共析帘线钢中未检测到5μm以上的钛夹杂,而82A、92A过共析帘线钢中尺寸大于5μm的钛夹杂析出比例分别达到4.92%和9.52%;钢液凝固过程中析出的Ti(CxN1-x)夹杂中TiC所占比例也随帘线钢强度级别提高而增大。

关键词：帘线钢夹杂物钛夹杂碳氮化钛析出碳含量

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航天增材制造技术标准体系探索

航天标准化 2023年第3期 15-19页

作者：李林凌张啸雨余晨帆谭沧海北京空间飞行器总体设计部北京100094

国际性标准化组织建立了较为完善的增材制造技术标准体系,我国的增材制造技术标准体系与之相比存在着明显的差距。梳理增材制造技术先进国家标准体系,挖掘这些国家增材制造技术标准体系建立的原则、建立的主次、完善程度等因素。结合我... 详细信息

国际性标准化组织建立了较为完善的增材制造技术标准体系,我国的增材制造技术标准体系与之相比存在着明显的差距。梳理增材制造技术先进国家标准体系,挖掘这些国家增材制造技术标准体系建立的原则、建立的主次、完善程度等因素。结合我国航天领域增材制造产品需求状况,给出我国航天领域增材制造技术标准体系建立的原则、方法等方面的思考,期望通过建立我国航天增材制造技术标准体系,提高我国航天增材制造产品的质量、提升航天增材制造产品的竞争力、抢占航天增材制造国际标准的制高点。

关键词：增材制造 3D打印标准体系发展趋势