材料加工先进技术考试题及答案

材料加工先进技术考试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.在激光选区熔化（SLM）过程中，下列哪一项参数对致密度影响最显著？A.扫描速度B.铺粉层厚C.激光光斑直径D.基板预热温度答案：A解析：扫描速度直接决定单位面积能量输入（E=V·P/v），能量不足时粉末未完全熔化，致密度骤降；层厚与光斑直径为次要因素，预热温度主要降低热应力。2.关于电子束熔化（EBM）的“预热—熔化—保温”三段式工艺，下列说法正确的是：A.预热阶段电子束电流最大，用于快速升温B.保温阶段束流周期性扫描，目的是消除残余应力C.熔化阶段束斑直径大于预热阶段，以提高效率D.预热温度通常低于粉末材料的再结晶温度答案：B解析：保温阶段通过小束流快速来回扫描，使已凝固层温度均匀，降低温度梯度，从而削减残余应力；预热电流最小，熔化束斑直径与预热相同，预热温度远高于再结晶温度。3.在金属玻璃（MG）粉末的放电等离子烧结（SPS）中，为抑制晶化，最关键的控温策略是：A.升温速率≥200℃min⁻¹B.烧结温度略高于Tg（玻璃转变温度）C.保温时间≥30minD.冷却速率≤5℃min⁻¹答案：B解析：略高于Tg时黏度迅速下降，可在低压力下致密化；升温过快导致局部过热晶化，长时保温与慢冷均给原子扩散提供时间，促进晶化。4.采用冷喷涂（ColdSpray）制备AlCuMg合金涂层时，颗粒临界速度vc与下列哪项呈线性正相关？A.颗粒熔点B.颗粒密度C.颗粒比热容D.颗粒硬度答案：D解析：根据Assadi模型，vc∝(Hv/ρ)^0.5，硬度Hv越高，需更大动能产生绝热剪切失稳实现冶金结合，故呈正相关；熔点、密度、比热容为次要修正项。5.在增材制造316L不锈钢中观察到“鱼鳞”状熔池边界，其本质为：A.未熔粉末残留B.元素偏析形成的δ铁素体薄膜C.激光重熔导致的柱状晶断裂D.熔池Marangoni对流痕迹答案：B解析：快速凝固使Cr、Mo在熔池边界富集，稳定δ铁素体，腐蚀后呈亮白色“鱼鳞”；并非未熔粉或对流痕迹。6.关于超声辅助半固态触变成形，超声振动的主要作用是：A.降低液相线温度B.破碎初生αAl相，提高黏度C.促进晶粒旋转，降低成形载荷D.空化效应细化固相颗粒答案：D解析：超声空化产生高压微射流，击碎枝晶形成蔷薇状颗粒，降低黏度并提高成形性；液相线不变，旋转效应可忽略。7.在激光熔覆NiWC复合涂层时，WC颗粒发生“溶解—析出”型退化，其析出相为：A.M6CB.M23C6C.M7C3D.MC答案：A解析：富W环境促使M6C（Ni3W3C）在界面析出，降低硬度；M7C3、M23C6为富Cr相，MC为未溶WC。8.采用高压扭转（HPT）制备超细晶纯铜，其晶粒细化极限主要受限于：A.位错塞积饱和B.动态再结晶临界应变C.绝热温升D.样品中心零剪切区答案：B解析：当应变足够高时，动态再结晶与细化达到动态平衡，晶粒尺寸趋于稳定极限；位错饱和为前期机制，温升与零剪切区为次要因素。9.在聚合物材料的选择性激光烧结（SLS）中，为防止“翘边”（curling），最常用的预热策略是：A.红外灯分区动态补偿B.降低激光功率C.增加铺粉层厚D.提高扫描间距答案：A解析：红外灯实时补偿边缘散热，降低温度梯度；降低功率与增加层厚反而致密度下降，扫描间距对翘边影响小。10.关于金属增材制造中的“层间未熔合”缺陷，下列无损检测方法灵敏度最高的是：A.工业CT（微米级焦点）B.高频超声（50MHz）C.数字射线DRD.交流场测量（ACFM）答案：A解析：微米CT可检出≥5μm未熔缝隙，且三维定位；50MHz超声受晶粒散射限制，DR二维叠加，ACFM仅适合表面。二、多项选择题（每题3分，共15分；多选少选均不得分）11.在激光冲击强化（LSP）中，采用黑漆作烧蚀层时，其主要作用包括：A.提高等离子体临界密度B.降低激光反射率C.增加冲击波峰值压力D.防止工件表面熔化E.充当绝热层减少热影响答案：B、C、D解析：黑漆吸收率>90%，降低反射，吸收后汽化形成高压等离子体，峰值压力提升2~3倍；同时隔离激光直接照射，避免熔化；不提高临界密度，也非绝热层。12.下列哪些现象与增材制造钛合金的“β退火”处理有关？A.原始β晶粒长大B.位错密度显著降低C.α片层厚度增加D.织构强度减弱E.残余应力释放答案：A、C、E解析：β退火高于β相变点，β晶粒长大，缓冷形成粗大α片层；空冷应力释放；位错密度降低有限，织构因β→α变体选择反而增强。13.在摩擦搅拌焊（FSW）铝铜异种接头中，为避免Al4Cu9脆性相，可采取：A.将铜置于前进侧B.采用无针搅拌头C.降低旋转速度D.添加Zn中间层E.提高焊接速度答案：C、D、E解析：降低热输入（低转速、高焊速）抑制金属间化合物；Zn与Al、Cu形成固溶体，阻断Al4Cu9；铜在前退侧增加混合，无针无法连接。14.关于非晶合金的“超塑性”成形，下列说法正确的是：A.需加热至过冷液相区ΔTxB.应变速率敏感性指数m≈1C.可实现微米级精密复形D.晶化体积分数需<3%E.需施加保护气体防止氧化答案：A、C、D、E解析：在ΔTx内黏度降至10⁶–10⁸Pa·s，m≈0.5–0.8，可实现纳米复形；晶化>3%即脆化；需Ar保护。15.在选区激光熔化Fe36Ni因瓦合金时，为消除“裂纹孔隙”耦合缺陷，可同步实施：A.基板预热200℃B.激光重熔策略C.添加0.2wt%ZrD.层间停顿10sE.采用椭圆光斑答案：A、B、C解析：预热降低温度梯度，重熔闭合孔隙，Zr脱氧固硫抑制热裂纹；层间停顿增加氧化，椭圆光斑对裂纹无显著改善。三、判断改错题（每题2分，共10分；先判断对错，再改正错误部分）16.在电子束熔化Ti6Al4V时，提高束流能量密度可完全消除“α集束”织构。答案：错。改正：提高束流能量密度使冷却速率降低，α集束织构反而增强；需降低能量密度或后续热机械处理才能弱化。17.冷喷涂制备的Cu涂层密度可达99.9%，因此其电导率与退态纯铜相同。答案：错。改正：冷喷涂产生剧烈塑性变形，位错密度高，电导率约为退态铜的85–90%，需再结晶退火恢复。18.在激光熔覆高熵合金CoCrFeMnNi时，添加碳元素会扩大FCC单相区。答案：错。改正：碳稳定FCC能力弱，易形成M23C6或M7C3碳化物，导致FCC区缩小，脆性增加。19.采用超声振动辅助半固态A356压铸，可显著降低铸件气孔率，其机理为超声空化促进氢扩散外逸。答案：对。解析：空化气泡崩溃产生局部高温高压，使溶解氢聚集并逸出，同时破碎枝晶降低黏度，利于气体排出。20.对于选区激光熔化18Ni300模具钢，层厚从30μm提高到60μm，表面粗糙度Ra一定增大。答案：错。改正：若同步提高激光功率、降低扫描速度，使单道熔池宽深比优化，Ra可维持甚至降低，并非“一定”增大。四、简答题（每题8分，共24分）21.试述激光选区熔化（SLM）制备AlSi10Mg时“热裂纹”形成机理，并给出三条工程抑制措施（需给出具体参数）。答案：机理：1.高热膨胀系数（23×10⁻⁶K⁻¹）与低高温塑性导致凝固末期收缩应力超过材料临界断裂强度；2.共晶Si呈网状分布，削弱晶界结合力；3.柱状晶沿热流方向贯穿，晶界液膜在拉应力下开裂。抑制措施：1.基板预热150–200℃，降低温度梯度至<80Kmm⁻¹，应力减少30%；2.激光重熔策略：首道参数200W、1200mms⁻¹，重熔80W、2400mms⁻¹，输入能量降低40%，使晶界Si破碎球化；3.添加0.15wt%Sc+0.08wt%Zr，形成Al3(Sc,Zr)纳米弥散，晶粒细化至~1μm，裂纹密度由4.2mmcm⁻²降至0.1mmcm⁻²。22.对比传统热等静压（HIP）与增材制造原位HIP（“HIPinprocess”）在消除Ti6Al4V内部孔隙方面的差异，并给出原位HIP的关键工艺窗口。答案：传统HIP：需将打印件置于1000–1050℃、100–150MPaAr环境中2–4h，设备昂贵，晶粒长大至300μm，屈服强度降低8–10%。原位HIP：在SLM过程中层间实施激光重熔+滚压复合，利用局部高温（β相变点以上）+压力（滚压≥500MPa）闭合孔隙，晶粒保持~50μm。关键窗口：1.重熔深度≥1.5倍层厚（60μm层厚选90μm熔深）；2.滚压压下量0.6–0.8%，滚轮温度300℃防冷裂；3.层间间隔<30s，防止氧化；孔隙率可由0.4%降至<0.05%，疲劳寿命提高2.3倍。23.阐述高熵合金CoCrFeMnNi在选区电子束熔化（SEBM）中的“元素挥发”规律，并设计一种成分补偿策略。答案：规律：1.饱和蒸气压Ps：Mn>Cr>Fe>Co>Ni，Mn在1600℃下Ps=1.2×10⁻²Pa，为Ni的260倍；2.能量密度>120Jmm⁻³时，Mn损失率呈指数上升，每增加10Jmm⁻³损失率增加1.8%；3.挥发导致表面Mn含量由20at%降至12at%，形成富Ni/Co层，诱发B2有序相。补偿策略：1.预合金粉末设计Mn过量20%，并采用“核壳”结构：内核Mn25at%，外壳Mn15at%，通过固态扩散均匀化；2.分段工艺：首5层低能量80Jmm⁻³，后续正常120Jmm⁻³，使过量Mn向内扩散；3.实时EPMA闭环反馈，当Mn<18at%时，自动补偿0.5at%Mn粉铺洒，最终成分偏差控制在±1at%以内。五、计算题（每题10分，共20分）24.已知选区激光熔化316L不锈钢，激光功率P=350W，扫描速度v=1200mms⁻¹，光斑直径d=100μm，层厚t=40μm，粉末吸收率η=0.42，密度ρ=7.9gcm⁻³，比热容cp=500Jkg⁻¹K⁻¹，熔化潜热Lm=270kJkg⁻¹，室温25℃，熔点1400℃。（1）计算体积能量密度EV（Jmm⁻³）；（2）求理论致密度100%时所需最小能量密度Emin，并判断当前参数是否足够；（3）若致密度仅达96%，求未熔粉末质量分数（忽略飞溅）。答案：（1）EV=P/(v·t·d)=350/(1200×0.04×0.1)=72.9Jmm⁻³（2）单位体积质量m=ρ·V=7.9×10⁻³gmm⁻³升温需Q1=m·cp·ΔT=7.9×10⁻³×0.5×1375=5.43Jmm⁻³熔化需Q2=m·Lm=7.9×10⁻³×270=2.13Jmm⁻³Emin=(Q1+Q2)/η=(5.43+2.13)/0.42=18.0Jmm⁻³72.9>18.0，能量足够。（3）孔隙率4%，未熔粉质量分数=4%×(Emin/EV)=4%×(18/72.9)=0.99%。25.冷喷涂Cu颗粒，直径dp=25μm，密度ρ=8.9gcm⁻³，比热容cp=0.385Jg⁻¹K⁻¹，屈服强度σy=200MPa，计算颗粒临界速度vc（采用Assadi模型：vc=√[σy·(1Ti/Tm)/ρ]，Ti=室温300K，Tm=1356K），并求当载气为N₂（γ=1.4，R=297Jkg⁻¹K⁻¹，T0=800K，p0=3.0MPa）时，喷嘴出口马赫数Ma需至少多少才能使颗粒加速至vc（忽略dragcoefficient变化，假设等熵膨胀，速度系数φ=0.85）。答案：vc=√[200×10⁶×(1300/1356)/8900]=√[200×10⁶×0.7787/8900]=418ms⁻¹气体出口速度vg=φ·√[2γ/(γ1)·R·T0·(1(pe/p0)^(γ1)/γ))]令vg=vc/φ=418/0.85=492ms⁻¹解得(pe/p0)^0.286=1(492²×0.4)/(2×1.4×297×800)=0.655pe/p0=0.655^3.5=0.116→Ma=√[(2/(γ1))·((p0/pe)^(γ1)/γ1)]=√[5×(1.68)]=2.9需Ma≥2.9。六、综合设计题（11分）26