技术研发

增材制造技术

金属SLM增材制造,又称“金属3D打印”,是通过逐层堆叠、融化金属粉末的方式,实现复杂零件的近净成形。该方法具有一体化高效成形复杂结构、缩短产品研发周期、促进个性化生产、减少材料浪费等显著优势,被誉为短周期、高性能、绿色的“变革性”先进制造技术,在航空航天、医疗、工业模具等领域获得广泛应用。


东莞材料基因高等理工研究院增材制造团队主要从事新型合金粉末材料的设计开发、随形冷却模具的加工制造以及缺陷和应力的检测调控等技术研究和服务,在材料设计、模具制造等方面具有丰富经验,致力于为客户提供3D打印整体解决方案。

 

 

 


♦ 研究方向

针对航空航天、工业模具、汽车等应用需求,基于“高通量计算+机器学习”的新材料开发技术,增材制造团队开展模具钢、高温合金、铝合金、钛合金四类新型增材制造材料的开发及其打印工艺的研究,旨在建立成分设计-增材制造工艺-服役性能的关系模型,实现特定应用环境下高性能金属零部件的材料设计和一体化成型。

 

① 新型3D打印材料设计;

② 低成本高效率激光铺粉打印工艺研究;

③ 柱晶/单晶高温合金激光熔覆工艺研究;

④ 增材制造残余应力和缺陷控制。

 


♦ 仪器设备

金属增材制造实验室,占地300多平方米,目前拥有SLM金属3D打印机、激光熔覆设备、真空电弧熔炼炉、真空扩散焊、SPS等离子烧结、激光粒度仪、烘干箱、筛粉器、吹砂机等科研装备10台套。材料设计软件CALPHAD、Jmat-pro软件等材料设计软件各一套。

 

金属3D打印机

激光送粉设备

真空电弧熔炼炉

放电等离子烧结系统SPS

真空扩散焊焊接设备

激光粒度仪

 

 


♦ 应用案例

案例1:增材制造关键基础问题研究

针对长期制约金属构件增材制造发展应用的共性基础科学问题,研究院联合北京航空航天大学王华明院士团队、国家增材制造创新中心卢秉恒院士团队,以及香港大学颜庆云院士团队,采用中子和同步辐射原位增材制造过程实验表征与数值模拟相结合的研究方法,研究金属增材制造成形过程中零件内部缺陷、变形开裂和组织性能不稳定等重大“瓶颈难题”以及新型高性能金属增材制造专用材料设计开发,揭示复杂内应力耦合作用和构件开裂变形行为及控制机理,推进增材制造在高端装备制造领域的产业化应用。

 

 

 

案例2:新型增材制造高导热模具钢材料的开发

针对现有增材制造模具材料在热导率和硬度等性能方面难以同步提升的限制,研究院通过成分设计、粉末制备、打印工艺、热处理等相关工艺的研究,开发一种新型高导热模具钢材料,旨在突破上述限制,进一步改善模具冷却效率和均匀性,具有广阔的应用前景。

 

 

 

 


♦ 科研成果

 

承研项目(部分)

1.《高性能金属增材制造关键基础科学问题研究》,广东省基础与应用基础研究重大项目,2021.1~2025.12

2.《增材制造用高性能高温合金集成设计与制备》,国家重点研发计划项目, 2021.12~2025.11

3.《纳米铝基复合材料SLM增材制造凝固组织及性能调控研究》,广东省基础与应用基础研究基金-粤莞联合基金,2020.10~2023.09

4.《电弧增材制造Inconel718疲劳裂纹萌生及损伤演化机理研究》,广东省基础与应用基础研究基金-粤莞联合基金,2021.10~2024.9

5.《SLM增材制造TiB2/6061Al微结构控制及性能机理研究》,新金属材料国家重点实验室-开放课题,2021.03~2023.02

6.《低成本高导热3D打印模具钢材料研发》,美的制冷设备公司,2021.12~2023.04

7.《金属激光增材制造零件残余应力测试》,南京航空航天大学,2019.1~2020.2

8.《高品质热作模具钢研发与产业化》,广东省重点领域研发计划项目,2020.01~2023.01

 

发表论文(部分)

1. R.G. Ding, X.W. Li S.Y. Zhang et al. Microstructure and mechanical properties of direct laser deposited DD98 superalloy. Materials Science & Engineering A, 2022, 848: 143427.

2. Pan D, Li S, Liu L, et al. Enhanced strength and ductility of nano-TiB-reinforced titanium matrix composites fabricated by electron beam powder bed fusion using Ti6Al4V–TiB composite powder. Additive Manufacturing, 2022,50: 102519.

3. 张楠,王淼辉,张书彦,葛学元,张平,李静,张志豪.基于同步辐射和中子衍射分析的金属增材制造关键共性问题研究进展[J].稀有金属材料与工程,2022,51(7):2698~2708.

4. Qiu C, Liu Q, Ding R. Significant enhancement in yield strength for a metastable beta titanium alloy by selective laser melting. Materials Science and Engineering: A, 2021, 816: 141291.

5. Chu M Q, Zhang S Y, Su G Q, et al. Research on Post-processing Microstructure and Property of Titanium Components with Selective Laser Melting (SLM), IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020,751(1): 012079.

6. 温冬辉,姜贝贝,王清,李相伟,张鹏,张书彦. MoNb改性FeCrAl不锈钢高温组织演变和力学性能. 金属学报, 10.11900/0412.1961.2020.00533

7. Seow C., Zhang J, Coules H., Wu G., Jones C., Ding J. and Williams S. Effect of crack-like defects on the fracture behaviour of Wire + Arc Additive Manufactured nickel-base Alloy 718. Additive Manufacturing, 2020, 36: 101578.

8. 郑江鹏, 初铭强, 张书彦. 铸铁材料激光熔覆修复表面强化技术研究进展. 热加工工艺, 2020, 49(17): 1-6.

9. Zhou X , Dai N , Chu M , et al. X-ray CT analysis of the influence of process on defect in Ti-6Al-4V parts produced with Selective Laser Melting technology. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2020,106(1-2): 3-14.

10. X.W. Li, J.S. Dong, L. Wang, L.H. Lou, J. Zhang. Microstructure and tensile properties of dual structure superalloys at intermediate temperatures [J]. Mater. Sci. Eng. A, 2019, 751:15-22

11. Seow C., Coules H., Wu G., Khan R., Xu X. and Williams S. Wire + arc additively manufactured Inconel 718: effect of post-deposition heat treatments on microstructure and tensile properties. Materials & Design, 2019, 183:108157.

12. X.W. Li, L. Wang, J.S. Dong, L.H. Lou, J. Zhang. Evolution of micro-pores in a single crystal nickel-based superalloy during solution heat treatment [J]. Metall. Mater. Trans. A, 2017, 48(6): 2682-2686.

 

申请专利(部分)

1.  李相伟,温冬辉,樊卓志,王瑶,郭秋娟,郑江鹏,丁仁根,初铭强,张书彦,张鹏; 一种增材制造镍基高温合金及其制备和应用,中国,实质审查,202110534240.X

2.  李相伟,郑江鹏,彭胜,丁仁根,初铭强,张书彦,张鹏,一种快速消除单晶高温合金中微观偏析的热处理方法,中国,实质审查,201911414615.8

3.  李相伟,温冬辉,王瑶,丁仁根,初铭强,张书彦,张鹏,一种长寿命高强抗热腐蚀镍基高温合金及其应用,中国,实质审查,202011306894.09

4.  温冬辉,陈亚辉,李相伟,郑江鹏,张书彦,张鹏,一种MC和Laves相强化的高导热增材制造模具钢,中国,初审,202110505655.4

5.  袁超,初铭强,张书彦,张鹏,一种铝金属复合粉末及利用该粉末制备的激光增材,中国,受理,202010784748.0

6.  郑江鹏,向明,初铭强,张书彦,张鹏,一种激光选区熔化制造Ti-1A1-8V-5Fe钛合金材料的方法,中国,受理,202010871292.1