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- 界面表征
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激光粉末床熔融增材制造过程及高能密度激光焊接中孔隙形成机制的直接观测
摘要： 激光粉末床熔融（LPBF）是一种能够制造传统工艺无法实现的复杂几何形状部件的3D打印技术。然而，打印过程中形成的气孔会损害部件的力学性能，严重阻碍其广泛应用。本研究报道了LPBF过程中观察到的六种气孔形成机制。我们的结果再次证实了三种已知机制——匙孔诱导气孔、原料粉末导致的气孔以及激光熔化时因挥发性物质汽化或微小封闭气体膨胀沿熔合边界形成的气孔。同时发现三种新机制：(1) 表面波动捕获的气孔；(2) 浅凹坑区波动导致的气孔；(3) 裂纹引发的气孔。这些发现为LPBF过程中的气孔形成机制提供了直接证据和深入见解，可指导气孔消除/缓解方法的开发。由于本研究涉及的某些激光加工条件与高能密度激光焊接情况相似，该结果对激光焊接也具有参考价值。
关键词： 孔隙形成、激光粉末床熔融、X射线成像、激光焊接、增材制造
更新于2025-09-23 15:21:01
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等离子-激光协同辅助3D打印工艺下CCF/PEEK复合材料双尺度界面结合行为研究
摘要： 3D打印连续碳纤维增强聚醚醚酮（CCF/PEEK）复合材料因其优异的力学、热学和化学性能以及复杂结构件的可成型性而备受关注。然而，该复合材料的实际应用始终受限于两种弱结合界面——层间结合力差和碳纤维与PEEK之间的弱界面。研究采用等离子体-激光协同辅助3D打印工艺来改善双尺度界面，经优化后层间剪切强度可从5.78MPa提升至39.05MPa。通过分析失效模式与双尺度界面结合机制发现：激光主要提升层间结合力与结晶度，而等离子体通过化学-物理方式处理碳纤维表面有效增强了材料力学模量。该研究为开发适用于航空航天和汽车工业的3D打印CCF/PEEK复合材料提供了全新思路。
关键词： 等离子体-激光协同辅助处理，双尺度界面键合，3D打印，连续碳纤维增强聚醚醚酮
更新于2025-09-23 15:19:57
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采用原位粉末混合激光粉末床熔融技术实现三维金属-玻璃功能梯度材料构件的增材制造
摘要： 现有的商用粉末床熔融三维（3D）打印系统通常每个组件只能打印单一材料。本文采用自主研发的基于喷嘴的多材料选择性激光熔化（MMSLM）系统，制造了成分从铜合金渐变至钠钙玻璃的功能梯度材料（FGM）。研究设计了一套原位粉末混合系统，能按选定比例混合金属与玻璃粉末，并通过多喷嘴超声振动粉末供给系统输送混合粉末。截面分析显示，梯度结构中玻璃比例从金属基复合材料（MMC）经过渡相逐渐增至陶瓷基复合材料（CMC）。激光加工过程中，纯铜合金与MMC部分结合，纯玻璃相渗入CMC部分并锚定玻璃相——这成为FGM实现3D打印件中纯金属与纯玻璃结合的主要机制。通过对梯度材料样品的压痕、拉伸及剪切测试表明：FGM的力学性能从延展性（金属侧）向脆性（玻璃侧）渐变，其最薄弱部位出现在过渡相与CMC的界面（即延性与脆性相的交界处）。
关键词： 铜-玻璃，粉末床熔融，水平梯度结构，多材料选择性激光熔化，功能梯度材料
更新于2025-09-19 17:13:59
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工艺参数对选区激光熔化316L/CuSn10界面特征的影响机制
摘要： 双金属结构能够结合不同金属材料的性能，以满足工业解决方案中的多功能需求。本文通过自主研发的多材料选区激光熔化（SLM）设备制备了钢-青铜双金属结构。为研究激光功率、扫描速度和扫描间距对界面特征的影响，在316L不锈钢层上方成形二十层CuSn10锡青铜时进行了三因素五水平的正交实验。采用光学显微镜（OM）、大景深显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、拉伸性能测试、电子背散射衍射（EBSD）和纳米压痕等技术对这些双金属结构进行表征，以验证工艺参数的影响。大景深显微镜显示钢/青铜界面存在凸起，其高度随体积能量输入增加先升高后降低。此外，界面缺陷的产生与界面工艺参数相关，发现缺陷类型主要分为孔洞和裂纹。能量不足会导致水平方向产生裂纹进而引发结合失效，反之较高能量输入会在垂直方向产生微裂纹。界面区域附近的缺陷是影响结合强度极限值的主要因素。结果表明，钢-青铜双金属结构展现出最佳接头极限强度459.54±3.08 MPa（延伸率5.23±0.65%），以及最小接头极限强度199.02±0.56 MPa（延伸率1.70±0.22%）。其断口形貌也分别呈现沟槽状和扇形特征。此外，EBSD结果显示界面区域出现细晶区，有助于提高该区域的平均纳米硬度。本研究为选区激光熔化制备钢-青铜双金属零件的工艺参数对界面特征和力学性能的影响提供了参考。
关键词： 界面表征、力学性能、选择性激光熔化、双金属结构、多材料
更新于2025-09-19 17:13:59
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集成激光粉末床熔融与熔丝制造的混合金属/聚合物三维打印技术
摘要： 要生产复杂功能器件并消除装配需求，需采用集成熔融沉积成型（FFF）与激光粉末床熔融（PBF）技术来制造金属-聚合物混合部件。该系统的设计与操作流程基于激光加热原理，通过PBF打印的互锁结构实现金属/聚合物连接，并通过论述阐明了控制连接强度的机理与科学依据。拉伸与剪切测试证实了该金属/聚合物多材料增材制造技术具有良好的连接强度。本文提出了一种引入PBF打印金属与FFF打印聚合物（二者材料特性迥异）的3D打印系统，所制组件无需使用粘合剂。此外，还演示了通过激光熔融将金属粉末沉积至聚合物基底顶部的工艺——成功在PLA/SS 316L复合基底顶部沉积了铜（Cu10Sn）层，但其连接强度问题仍有待解决。最终成功打印出含不锈钢（SS 316L）、铜（Cu10Sn）及聚合物（PLA、PET）的多种混合3D组件，并探讨了其潜在应用。
更新于2025-09-16 10:30:52
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采用银和锌纳米粒子对选择性激光熔化多孔钛进行生物功能化以预防抗生素耐药菌感染
摘要： 抗生素耐药菌常引发植入物相关感染（IAI），使得这类感染的治疗更具挑战性。因此，兼具抗菌活性与促成骨整合功能的多功能植入体表面成为预防IAI的关键需求。在植入体表面复合多种无机抗菌剂，既能针对广谱微生物产生协同抗菌效应，又可降低细菌耐药性的发生概率。本研究采用选择性激光熔融（SLM）制备多孔钛植入体，通过基于钙磷成分的电解液进行等离子体电解氧化（PEO）生物功能化处理，并将银/锌纳米颗粒按0-100%比例紧密嵌入生长中的二氧化钛层。表面生物功能化后，银锌离子持续释放至少28天，对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）表现出抗菌沥滤活性。此外，该功能化表面通过产生活性氧实现接触杀菌。当银锌纳米颗粒比例为75%/25%时，功能化植入体在体外实验及小鼠股骨离体实验中均能完全清除黏附菌与浮游菌，而单纯锌表面则无此效果。不同离子组合的最低抑菌/杀菌浓度测定证实存在强效协同抗菌作用，可使所需银离子用量降低两个数量级（即120倍）。同时，含锌表面能显著提升前成骨细胞在3、7、11天的代谢活性。综上，采用银锌纳米颗粒进行PEO生物功能化是制备骨科植入体多功能表面、预防抗生素耐药菌所致IAI的有效策略。
关键词： 多功能生物材料、银和锌纳米粒子、植入物相关感染、等离子体电解氧化、增材制造、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌
更新于2025-09-16 10:30:52
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具有在线自适应三维焊缝跟踪和功率控制的远程激光焊接系统
摘要： 远程激光焊接缩短了加工时间，但在小批量和用户定制制造领域存在局限——该领域的产品个性化需求要求系统具备灵活性与适应性，并配备简化的夹具装置。此外，焊接过程中的热变形会导致工件几何形状不精确。为此，我们研发了一套创新系统，可实现在线自适应三维焊缝跟踪与激光功率控制。该系统由工业机器人、带光学三角测量反馈的扫描头及光纤激光器组成，能实现更简短的焊接轨迹示教流程，激光焦点定位精度达0.06毫米以下，并确保稳定的部分熔透焊接工艺。
关键词： 自适应远程激光焊接、三角测量反馈、三维激光束定位、简易示教、激光功率控制
更新于2025-09-12 10:27:22