激光定向能量沉积增材制造技术及应用

本书介绍了作者团队20余年来在激光定向能量沉积技术领域的研究成果，包括设备研制、工艺开发、材料表征与力学性能、检测与控制、制造及应用等内容。书中介绍了激光定向能量沉积技术的原理、特点与作用，阐述了激光定向能量沉积的设备研制，按照工艺流程论述了激光定向能量沉积技术的前处理、工艺开发及后处理，阐明了激光定向能量沉积零件的组织性能特征、激光定向能量沉积的过程检测与智能控制，讲解了激光定向能量沉积中的修复再制造与绿色低碳制造，例证了激光定向能量沉积技术在航空航天、汽车、能源、冶金、机械装备、模具领域的应用，并展望了激光定向能量沉积技术的研究前沿与发展趋势。 本书内容编排深入浅出，广博新颖，专业性鲜明，体系完整，独创性显著，紧扣科技发展脉搏，聚焦战略新兴行业，浓缩作者团队在增材制造领域内的科学研究成果，适合作为高等学校相关专业师生，以及增材制造/修复技术相关领域研究人员的参考用书。

刘伟军，工学博士，教授，博士导师；哈尔滨工业大学及东北大学兼职教授、博士生导师。沈阳工业大学机械工程学院院长，辽宁省复杂曲面数控制造技术工程中心主任，沈阳智能装备工程技术研究中心主任。发表学术论文200余篇，SCI和EI收录100余篇，出版专著2部

目录 前言 第1章激光定向能量沉积技术导论 1.1激光定向能量沉积技术概述 1.1.1激光定向能量沉积技术的基本原理 1.1.2激光定向能量沉积技术的主要特点 1.1.3激光定向能量沉积技术的重要意义 1.2激光定向能量沉积技术的发展历史 1.2.1激光定向能量沉积技术的国外发展历史 1.2.2激光定向能量沉积技术的国内发展历史 1.3激光定向能量沉积技术的研究现状 1.3.1模型建立与数据处理 1.3.2材料及工艺研究 1.3.3过程模拟与仿真 1.3.4成形质量检测与分析 1.3.5在线监测及闭环控制 1.4激光定向能量沉积技术的应用现状 1.4.1快速成型 1.4.2结构添加 1.4.3修复再制造 参考文献 第2章激光定向能量沉积的设备研制 2.1激光定向能量沉积设备的需求分析 2.2激光定向能量沉积设备的系统组成 2.2.1激光传输系统 2.2.2粉末送给系统 2.2.3运动执行系统 2.2.4气氛保护系统 2.2.5计算机控制系统 2.3激光定向能量沉积设备的工效学优化设计 2.3.1激光定向能量沉积设备的情感融合优化设计 2.3.2激光定向能量沉积设备的操作任务分析 2.3.3激光定向能量沉积设备的人机交互界面优化 2.3.4激光定向能量沉积设备的工效学优化效果评价 2.4激光定向能量沉积设备的性能指标及应用 参考文献 第3章激光定向能量沉积的数据处理技术 3.1STL模型的建立与优化 3.1.1STL模型构造 3.1.2STL模型文件格式 3.1.3STL文件拓扑信息分析 3.1.4拓扑重建的数据结构 3.1.5STL文件拓扑信息重建 3.2基于STL模型的分层算法 3.2.1基于三角形信息组织形式的分层处理算法 3.2.2容错分层方法 3.2.3自适应分层方法 3.2.4一致性误差分层方法 3.3平行扫描路径规划方法 3.3.1平行扫描特点与问题 3.3.2自适应平行扫描路径规划 3.3.3基于温度分区的平行扫描路径规划方法 3.4环形扫描路径规划方法 3.4.1环形扫描路径生成算法 3.4.2层面轮廓的凸分解算法 3.4.3分区适应性环形扫描路径生成算法 参考文献 第4章激光定向能量沉积技术的工艺开发 4.1激光定向能量沉积成形过程的模拟仿真 4.1.1激光定向能量沉积成形过程的仿真模型构建 4.1.2宏观温度场的模拟仿真 4.1.3宏观应力场的模拟仿真 4.1.4热力耦合场的模拟仿真 4.1.5微观组织演化的模拟仿真 4.2激光定向能量沉积工艺参数优化 4.2.1激光定向能量沉积单因素试验优化设计 4.2.2激光定向能量沉积正交试验优化设计 4.2.3激光定向能量沉积响应面优化设计 4.2.4激光定向能量沉积逼近理想解排序法优化设计 4.2.5激光定向能量沉积非支配排序遗传算法优化设计 4.3激光定向能量沉积扫描策略优化 4.3.1扫描策略对成形零件质量精度的影响 4.3.2扫描策略对成形零件微观组织的影响 4.3.3扫描策略对成形零件力学性能的影响 参考文献 第5章激光定向能量沉积零件的热处理 5.1激光定向能量沉积GH4169合金热处理 5.1.1GH4169合金热处理工艺 5.1.2GH4169合金时效热处理显微组织 5.1.3GH4169合金固溶时效热处理显微组织 5.1.4GH4169合金固溶时效热处理力学性能 5.2激光定向能量沉积TC17钛合金热处理 5.2.1TC17钛合金热处理工艺 5.2.2TC17钛合金时效热处理组织 5.2.3TC17钛合金固溶时效热处理组织 5.2.4TC17钛合金固溶时效热处理力学性能 5.3激光定向能量沉积制件局部热处理方法 5.3.1GH4169合金局部热处理组织性能 5.3.2TC17钛合金局部热处理组织性能 参考文献 第6章激光定向能量沉积典型合金的组织性能 6.1激光定向能量沉积典型粉末材料 6.1.1典型金属材料 6.1.2金属粉末的表征 6.1.3金属粉末制备 6.1.4金属粉末特性及其对制件影响 6.2激光定向能量沉积合金组织 6.2.1镍基合金显微组织 6.2.2不锈钢显微组织 6.2.3钛合金显微组织 6.3激光定向能量沉积典型材料力学性能 6.3.1镍基合金力学性能 6.3.2不锈钢力学性能 6.3.3钛合金力学性能 6.4激光定向能量沉积钛基材料耐磨层摩擦磨损性能 6.4.1激光定向能量沉积制备耐磨涂层 6.4.2摩擦磨损测试及结果 6.4.3基材磨损机制 6.4.4沉积层表面磨损机制 6.4.5颗粒强化机制 6.4.6耐磨性强化机制 参考文献 第7章激光定向能量沉积过程的检测与控制 7.1激光定向能量沉积熔池在线测量系统 7.1.1熔池在线测量系统构成 7.1.2传感器 7.1.3数据采集卡 7.1.4数据处理系统 7.1.5反馈控制系统 7.2激光定向能量沉积过程的动态辨识 7.2.1系统辨识定义及分类 7.2.2辨识算法 7.2.3动态辨识及传递函数 7.3激光定向能量沉积过程的PID控制 7.3.1PID控制方法 7.3.2PID控制应用实例 7.4激光定向能量沉积缺陷超声无损检测 7.4.1超声无损检测技术 7.4.2超声检测的影响因素 7.4.3微小缺陷识别方法 7.5激光定向能量沉积零件残余应力检测 7.5.1残余应力产生机制 7.5.2残余应力检测方法 参考文献 第8章激光定向能量沉积再制造技术 8.1激光定向能量沉积再制造技术概述 8.1.1再制造工程 8.1.2传统再制造技术 8.1.3激光定向能量沉积再制造技术 8.1.4激光定向能量沉积再制造技术优势 8.1.5激光定向能量沉积再制造技术框架 8.2面向激光定向能量沉积再制造的3D特征重构方法 8.2.1失效部位的预处理 8.2.2基于再制造的3D特征重构方法 8.2.3缺损部位3D特征精度分析 8.3激光定向能量沉积再制造工艺开发 8.4激光定向能量沉积再制造质量控制 8.4.1激光定向能量沉积过程质量影响因素分析 8.4.2基于PSOBP神经网络的沉积层质量预测方法 8.4.3BP神经网络模型的训练及测试 参考文献 第9章激光定向能量沉积绿色低碳制造 9.1激光定向能量沉积过程碳排放特性分析 9.1.1激光定向能量沉积过程碳排放特性 9.1.2激光定向能量沉积过程碳排放边界分析 9.2激光定向能量沉积过程碳排放模型 9.2.1时间模型 9.2.2激光发生器子系统碳排放分析 9.2.3送粉子系统碳排放分析 9.2.4进给子系统碳排放分析 9.2.5冷却子系统碳排放分析 9.2.6辅助子系统碳排放分析 9.3激光定向能量沉积过程碳排放模型参数试验获取 9.3.1试验设备 9.3.2沉积材料 9.3.3试验平台 9.3.4试验参数获取 9.4面向碳排放激光定向能量沉积工艺参数优化方法 9.4.1激光定向能量沉积过程多目标优化问题描述 9.4.2多目标工艺参数优化模型 9.4.3约束条件 9.4.4基于改进人工鱼群模型求解 9.4.5算法求解步骤与流程 9.4.6算法性能分析 9.4.7优化结果分析 9.5激光定向能量沉积过程碳排放对比试验 9.5.1试验条件 9.5.2试验验证 参考文献 第10章激光定向能量沉积的应用实例 10.1航空航天领域中的应用 10.1.1航空领域 10.1.2航天领域 10.2汽车领域中的应用 10.3能源领域中的应用 10.3.1风力发电机 10.3.2核电站 10.4冶金领域中的应用 10.5机械行业中的应用 10.5.1机床 10.5.2流体机械 10.5.3模具 参考文献 第11章激光定向能量沉积的研究前沿与发展趋势 11.1激光定向能量沉积复合制造 11.1.1复合多能场的激光定向能量沉积 11.1.2复合多工艺的激光定向能量沉积 11.2特殊材料的激光定向能量沉积 11.2.1非晶合金 11.2.2高熵合金 11.2.3形状记忆合金 11.2.4功能梯度材料 11.3特殊结构的激光定向能量沉积 11.3.1薄壁结构 11.3.2悬臂结构 11.3.3复杂曲面结构 11.3.4点阵结构 11.3.5仿生结构 11.4激光定向能量沉积设备的发展趋势 11.4.1高功率 11.4.2可变焦 11.4.3大尺寸 11.4.4超高速 11.4.5智能化 11.4.6集成化 11.5激光定向能量沉积技术的发展方向 参考文献