增材制造试题及答案

增材制造试题及答案一、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.扫描间距B.铺粉层厚C.基板预热温度D.激光光斑直径答案：A解析：扫描间距直接决定相邻熔道搭接率，搭接不足出现未熔合孔洞，搭接过大则能量冗余产生球化，两者均使致密度下降；层厚、预热、光斑虽有关联，但非首要因素。2.关于电子束熔化（EBM）工艺特有的“预热粉末”步骤，下列描述正确的是：A.预热目的是降低粉末流动性，防止飞溅B.预热温度通常低于粉末再结晶温度C.预热由扫描电子束逐层完成，温度梯度小D.预热阶段电子束电流远高于熔化阶段答案：C解析：EBM预热阶段电子束高速扫描整层粉末，使其轻微烧结并升温至0.4~0.5Tm，减少后续熔化热应力；电流远低于熔化阶段，温度梯度小且均匀。3.在聚合物材料挤出成形（FDM）中，若出现“象脚”缺陷，最优先调整的参数是：A.喷嘴温度B.层厚C.底层打印速度D.回退距离答案：C解析：底层速度过慢导致材料在喷嘴前堆积，冷却不足被后续层挤压外扩形成象脚；提高底层速度可瞬间减小滞留时间，缺陷随之消失。4.金属粘结剂喷射（BJT）打印生坯经脱脂后，若出现“鼓泡”缺陷，其根本原因是：A.脱脂升温速率过快，分解气体无法及时排出B.粉末粒径分布过宽C.喷射饱和度不足D.烧结温度低于液相线答案：A解析：鼓泡为典型气体滞留现象；粘结剂分解产生大量小分子，升温过快导致内压骤增，突破坯体表面形成气泡。5.对于增材制造Ti6Al4V零件，采用热等静压（HIP）后处理的主要目的是：A.提高表面光洁度B.消除内部未熔合缺陷并提高疲劳性能C.细化原始β晶粒D.降低残余拉应力并提高硬度答案：B解析：HIP通过高温高压使内部微孔闭合，显著降低裂纹萌生概率，疲劳寿命可提高3~5倍；对表面粗糙度与晶粒尺寸影响有限。6.在激光立体成形（LSF）修复航空叶片时，采用“等高三维偏移”扫描策略的优点是：A.减少热输入，降低稀释率B.保证几何精度，避免台阶效应C.提高熔覆效率，减少搭接次数D.抑制柱状晶外延生长答案：B解析：等高偏移使熔覆层厚度均匀，与基体曲面贴合，避免传统平面切片造成的台阶纹；热输入与稀释率主要由功率与送粉速率决定。7.下列哪种后处理技术对提高选区激光烧结（SLS）聚酰胺12（PA12）制件表面光泽度最有效？A.化学蒸汽平滑（VaporSmoothing）B.微喷砂C.紫外固化涂层D.低温等离子清洗答案：A解析：化学蒸汽平滑利用溶剂蒸汽短暂溶解表层，使峰谷差从8–10μm降至1μm以下，光泽度可提高80%以上；其余方法仅能去除浮粉或增加涂层。8.在增材制造设计（DfAM）中，“自支撑角度”一般指无需添加支撑即可成功打印的悬垂临界角，对于SLM不锈钢316L，该角度约为：A.15°B.25°C.45°D.65°答案：C解析：316L表面张力与熔池粘度适中，45°以下悬垂可依靠自身已固化层提供热沉，避免挂渣；角度再小需局部支撑。9.采用电弧增材制造（WAAM）成形铝合金时，脉冲Mig模式相比直流恒压模式的主要优势是：A.降低气孔率B.提高熔敷效率C.减少层间未熔合D.降低热裂纹敏感性答案：A解析：脉冲模式峰值电流高、基值电流低，熔滴过渡可控，减少氢致气孔；恒压模式熔池波动大，气孔率增加30–50%。10.对于陶瓷光固化（DLP）工艺，下列哪种光引发体系最适合高固含量（≥50vol%）氧化铝浆料？A.二苯甲酮/胺体系B.樟脑醌/胺体系C.TPO/丙烯酸酯体系D.双咪唑/萘酰亚胺体系答案：C解析：TPO在405nm处摩尔消光系数高，引发效率高，且对高折射率陶瓷颗粒散射不敏感；其余体系或吸光度不足或固化深度过浅。二、多项选择题（每题3分，共15分，多选少选均不得分）11.下列哪些措施可有效抑制SLM打印镍基高温合金的热裂纹？A.提高基板预热温度至200℃B.降低激光功率并提高扫描速度C.添加1–2wt%Nb进行微合金化D.采用棋盘岛式扫描策略E.打印后立刻进行1100℃固溶处理答案：A、C、D解析：预热降低温度梯度，Nb可形成γ″相钉扎晶界，岛式扫描减少长程拉应力；单纯降低功率反而使熔池变浅、未熔合增加，打印后立刻高温固溶会释放残余应力但无法抑制裂纹萌生。12.关于EBM打印纯钛的微观组织特征，下列说法正确的有：A.原始β晶粒沿建造方向呈粗大柱状B.冷却速率快，形成全α′马氏体C.建造方向与横向的屈服强度差异可达100MPaD.经800℃/2h退火后，α′分解为α+β层片E.晶内位错密度低于铸造纯钛答案：A、C、D解析：EBM热输入高，冷却速率低于SLM，形成原始β+部分α′；建造方向强度高于横向；退火后马氏体分解，位错密度实际更高。13.在FDM打印碳纤维增强聚醚醚酮（CF/PEEK）时，为提高层间剪切强度，可采取：A.喷嘴温度升至450℃B.打印腔体通氮至氧含量<100ppmC.层间暂停5s施加0.3MPa压力D.使用0.2mm厚底涂层E.后处理380℃热压30min答案：B、C、E解析：氮气防止高温氧化，层间热压促进分子链扩散，热压退火消除孔隙；450℃已超PEEK分解阈值，底涂层对层间强度无直接贡献。14.金属BJT工艺中，影响烧结收缩各向异性的因素包括：A.粉末球形度B.喷射饱和度梯度C.生坯密度梯度D.烧结支撑摩擦E.粘结剂分子量答案：B、C、D解析：饱和度差异导致局部密度差，密度梯度与支撑摩擦共同引起非均匀收缩；球形度与分子量主要影响生坯强度，不直接决定各向异性。15.采用激光选区烧结（SLS）打印TPU鞋中底时，为提高能量回馈率，可：A.提高激光功率至45WB.采用0.08mm薄层厚C.二次预热辊压实D.打印后100℃退火2hE.在粉床中添加5wt%玻璃微珠答案：B、C、D解析：薄层厚提高层间熔合，辊压减少孔隙，退火消除内应力并提高弹性；功率过高导致过烧、能量损耗，玻璃微珠增加刚度但降低回弹。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.SLM打印铝合金时，采用氮气保护可完全避免氧化夹杂物。答案：错改正：氮气与铝在高温下反应生成AlN，反而增加夹杂；应使用氩气或氦气保护。17.在WAAM过程中，层间温度控制在150℃以下会增大热裂纹倾向。答案：错改正：层间温度过低导致冷却速率过快，易形成硬脆相，应控制在150–250℃区间。18.对于光固化陶瓷，曝光剂量越大，坯体线性收缩率越小。答案：错改正：曝光剂量过大导致过度交联，收缩率反而增大；应控制在临界曝光量1.5–2倍。19.EBM工艺因真空环境，打印铜合金时无需考虑氧化变色问题。答案：对解析：真空度≤5×10⁻³mbar，氧分压极低，铜表面保持金属光泽。20.FDM打印PLA时，将喷嘴温度从200℃降至180℃可显著减少翘曲。答案：错改正：PLA玻璃化转变温度约60℃，降温导致层间粘合不足，反而易出现层间剥离；应提高平台温度至60–70℃减少翘曲。四、简答题（每题8分，共24分）21.简述激光选区熔化（SLM）制备马氏体时效钢18Ni300时，出现“球化”缺陷的机理及三种抑制措施。答案：机理：激光能量密度不足或保护气氛氧含量过高，熔池表面张力梯度驱动Marangoni对流，液相无法充分铺展，凝固后形成孤立球状颗粒。措施：（1）提高激光功率密度至1.4×10⁶W/m²以上，保证熔池温度超过液相线200℃；（2）降低氧含量至50ppm以下，减少表面氧化膜对润湿的阻碍；（3）采用67°旋转棋盘扫描，缩短熔道暴露时间，降低球化聚集概率。22.对比说明聚合物MultiJetFusion（MJF）与SLS在打印PA12时的热力学过程差异，并指出MJF获得更高表面硬度的原因。答案：SLS采用CO₂激光点扫描，局部瞬时升温至180–190℃，粉末界面熔融后快速冷却，结晶度约30%，表面硬度HV5–7。MJF通过红外灯整体加热至180℃，融合剂（黑色）吸光升温至220℃，非融合区域保持固态，冷却速率20℃/min，结晶度提高至45%，且融合剂中含2%纳米二氧化硅，起到异相成核作用，表面硬度HV12–15。23.电弧增材制造（WAAM）成形2319铝合金大型壁板时，为何常采用“双丝CMT脉冲”模式？请从热输入、组织与性能三方面分析。答案：热输入：CMT脉冲周期短路过渡，峰值电流250A，基值50A，平均热输入降低25%，减少层间过热塌陷；组织：脉冲搅拌熔池，打破柱状晶外延生长，晶粒细化30%，二次枝晶臂间距降至12μm；性能：抗拉强度310MPa，较直流CMT提高15%，延伸率保持18%，满足AMS2772航空标准。五、计算题（共15分）24.某SLM设备使用316L不锈钢粉末，层厚30μm，激光光斑直径80μm，扫描速度1200mm/s，激光功率195W，搭接率35%。求：（1）单道熔池截面积近似为60μm×120μm的半椭圆，求理论致密度（忽略球化与孔隙）；（2）若实际致密度为99.2%，求单位体积能量（J/mm³）与能量密度（J/mm²）。答案：（1）单道截面积A=½×π×60×120×10⁻⁹=1.13×10⁻⁸m²单道体积V=A×v×t=1.13×10⁻⁸×1.2×1=1.36×10⁻⁸m³/s质量流ṁ=V×ρ=1.36×10⁻⁸×7980=1.08×10⁻⁴kg/s理论密度ρ₀=7980kg/m³，致密度100%。（2）实际致密度99.2%，则孔隙率0.8%。单位体积能量E_v=P/(v×h×t)=195/(1200×0.08×0.03)=67.7J/mm³能量密度E_d=P/(v×h)=195/(1200×0.08)=2.03J/mm²解析：能量输入高于60J/mm³可保证全熔，但超过80J/mm³易产生球化，本题67.7J/mm³处于工艺窗口中心，致密度实测99.2%与计算吻合。25.某陶瓷光固化坯体含55vol%Al₂O₃，聚合物密度1.2g/cm³，Al₂O₃密度3.96g/cm³。坯体尺寸20mm×20mm×10mm，烧结后线性收缩18%。求：（1）坯体理论质量；（2）烧结后体积及相对密度（烧结体理论密度3.96g/cm³）。答案：（1）坯体体积V₀=4cm³聚合物体积V_p=0.45×4=1.8cm³，质量m_p=1.8×1.2=2.16g陶瓷体积V_c=2.2cm³，质量m_c=2.2×3.96=8.71g坯体质量m=10.87g（2）线性收缩18%，体积收缩β=1−(1−0.18)³=0.389烧结后体积V_s=4×(1−0.389)=2.44cm³烧结后质量不变，理论体积V_th=10.87/3.96=2.74cm³相对密度ρ_r=2.44/2.74=89.1%解析：收缩率大，需设计支撑及烧结底座，防止重力变形。六、综合设计题（共16分）26.某航天企业需采用SLM制造18Ni300马氏体时效钢托架，最大外形120mm×80mm×45mm，服役载荷18kN拉伸，要求屈服强度≥1850MPa，延伸率≥8%，疲劳寿命10⁵周次@450MPa。请给出：（1）打印方向与支撑策略；（2）热处理制度；（3）无损检测方法及验收标准；（4）若发现0.3mm未熔合缺陷，是否允许使用？给出判据。答案：（1）打印方向：托架承拉方向与建造方向呈45°，减少各向异性；支撑采用树状轻量化