材料加工先進(jìn)技術(shù)考試題及答案一、單項(xiàng)選擇題（每題2分，共20分）1.在激光選區(qū)熔化（SLM）過程中，下列哪一項(xiàng)參數(shù)對(duì)致密度影響最顯著？A.掃描速度B.鋪粉層厚C.激光光斑直徑D.基板預(yù)熱溫度答案：A解析：掃描速度直接決定單位面積能量輸入（E=V·P/v），能量不足時(shí)粉末未完全熔化，致密度驟降；層厚與光斑直徑為次要因素，預(yù)熱溫度主要降低熱應(yīng)力。2.關(guān)于電子束熔化（EBM）的“預(yù)熱—熔化—保溫”三段式工藝，下列說法正確的是：A.預(yù)熱階段電子束電流最大，用于快速升溫B.保溫階段束流周期性掃描，目的是消除殘余應(yīng)力C.熔化階段束斑直徑大于預(yù)熱階段，以提高效率D.預(yù)熱溫度通常低于粉末材料的再結(jié)晶溫度答案：B解析：保溫階段通過小束流快速來(lái)回掃描，使已凝固層溫度均勻，降低溫度梯度，從而削減殘余應(yīng)力；預(yù)熱電流最小，熔化束斑直徑與預(yù)熱相同，預(yù)熱溫度遠(yuǎn)高于再結(jié)晶溫度。3.在金屬玻璃（MG）粉末的放電等離子燒結(jié)（SPS）中，為抑制晶化，最關(guān)鍵的控溫策略是：A.升溫速率≥200℃min?1B.燒結(jié)溫度略高于Tg（玻璃轉(zhuǎn)變溫度）C.保溫時(shí)間≥30minD.冷卻速率≤5℃min?1答案：B解析：略高于Tg時(shí)黏度迅速下降，可在低壓力下致密化；升溫過快導(dǎo)致局部過熱晶化，長(zhǎng)時(shí)保溫與慢冷均給原子擴(kuò)散提供時(shí)間，促進(jìn)晶化。4.采用冷噴涂（ColdSpray）制備AlCuMg合金涂層時(shí)，顆粒臨界速度vc與下列哪項(xiàng)呈線性正相關(guān)？A.顆粒熔點(diǎn)B.顆粒密度C.顆粒比熱容D.顆粒硬度答案：D解析：根據(jù)Assadi模型，vc∝(Hv/ρ)^0.5，硬度Hv越高，需更大動(dòng)能產(chǎn)生絕熱剪切失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，故呈正相關(guān)；熔點(diǎn)、密度、比熱容為次要修正項(xiàng)。5.在增材制造316L不銹鋼中觀察到“魚鱗”狀熔池邊界，其本質(zhì)為：A.未熔粉末殘留B.元素偏析形成的δ鐵素體薄膜C.激光重熔導(dǎo)致的柱狀晶斷裂D.熔池Marangoni對(duì)流痕跡答案：B解析：快速凝固使Cr、Mo在熔池邊界富集，穩(wěn)定δ鐵素體，腐蝕后呈亮白色“魚鱗”；并非未熔粉或?qū)α骱圹E。6.關(guān)于超聲輔助半固態(tài)觸變成形，超聲振動(dòng)的主要作用是：A.降低液相線溫度B.破碎初生αAl相，提高黏度C.促進(jìn)晶粒旋轉(zhuǎn)，降低成形載荷D.空化效應(yīng)細(xì)化固相顆粒答案：D解析：超聲空化產(chǎn)生高壓微射流，擊碎枝晶形成薔薇狀顆粒，降低黏度并提高成形性；液相線不變，旋轉(zhuǎn)效應(yīng)可忽略。7.在激光熔覆NiWC復(fù)合涂層時(shí)，WC顆粒發(fā)生“溶解—析出”型退化，其析出相為：A.M6CB.M23C6C.M7C3D.MC答案：A解析：富W環(huán)境促使M6C（Ni3W3C）在界面析出，降低硬度；M7C3、M23C6為富Cr相，MC為未溶WC。8.采用高壓扭轉(zhuǎn)（HPT）制備超細(xì)晶純銅，其晶粒細(xì)化極限主要受限于：A.位錯(cuò)塞積飽和B.動(dòng)態(tài)再結(jié)晶臨界應(yīng)變C.絕熱溫升D.樣品中心零剪切區(qū)答案：B解析：當(dāng)應(yīng)變足夠高時(shí)，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶與細(xì)化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，晶粒尺寸趨于穩(wěn)定極限；位錯(cuò)飽和為前期機(jī)制，溫升與零剪切區(qū)為次要因素。9.在聚合物材料的選擇性激光燒結(jié)（SLS）中，為防止“翹邊”（curling），最常用的預(yù)熱策略是：A.紅外燈分區(qū)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償B.降低激光功率C.增加鋪粉層厚D.提高掃描間距答案：A解析：紅外燈實(shí)時(shí)補(bǔ)償邊緣散熱，降低溫度梯度；降低功率與增加層厚反而致密度下降，掃描間距對(duì)翹邊影響小。10.關(guān)于金屬增材制造中的“層間未熔合”缺陷，下列無(wú)損檢測(cè)方法靈敏度最高的是：A.工業(yè)CT（微米級(jí)焦點(diǎn)）B.高頻超聲（50MHz）C.數(shù)字射線DRD.交流場(chǎng)測(cè)量（ACFM）答案：A解析：微米CT可檢出≥5μm未熔縫隙，且三維定位；50MHz超聲受晶粒散射限制，DR二維疊加，ACFM僅適合表面。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分；多選少選均不得分）11.在激光沖擊強(qiáng)化（LSP）中，采用黑漆作燒蝕層時(shí)，其主要作用包括：A.提高等離子體臨界密度B.降低激光反射率C.增加沖擊波峰值壓力D.防止工件表面熔化E.充當(dāng)絕熱層減少熱影響答案：B、C、D解析：黑漆吸收率>90%，降低反射，吸收后汽化形成高壓等離子體，峰值壓力提升2~3倍；同時(shí)隔離激光直接照射，避免熔化；不提高臨界密度，也非絕熱層。12.下列哪些現(xiàn)象與增材制造鈦合金的“β退火”處理有關(guān)？A.原始β晶粒長(zhǎng)大B.位錯(cuò)密度顯著降低C.α片層厚度增加D.織構(gòu)強(qiáng)度減弱E.殘余應(yīng)力釋放答案：A、C、E解析：β退火高于β相變點(diǎn)，β晶粒長(zhǎng)大，緩冷形成粗大α片層；空冷應(yīng)力釋放；位錯(cuò)密度降低有限，織構(gòu)因β→α變體選擇反而增強(qiáng)。13.在摩擦攪拌焊（FSW）鋁銅異種接頭中，為避免Al4Cu9脆性相，可采?。篈.將銅置于前進(jìn)側(cè)B.采用無(wú)針攪拌頭C.降低旋轉(zhuǎn)速度D.添加Zn中間層E.提高焊接速度答案：C、D、E解析：降低熱輸入（低轉(zhuǎn)速、高焊速）抑制金屬間化合物；Zn與Al、Cu形成固溶體，阻斷Al4Cu9；銅在前退側(cè)增加混合，無(wú)針無(wú)法連接。14.關(guān)于非晶合金的“超塑性”成形，下列說法正確的是：A.需加熱至過冷液相區(qū)ΔTxB.應(yīng)變速率敏感性指數(shù)m≈1C.可實(shí)現(xiàn)微米級(jí)精密復(fù)形D.晶化體積分?jǐn)?shù)需<3%E.需施加保護(hù)氣體防止氧化答案：A、C、D、E解析：在ΔTx內(nèi)黏度降至10?–10?Pa·s，m≈0.5–0.8，可實(shí)現(xiàn)納米復(fù)形；晶化>3%即脆化；需Ar保護(hù)。15.在選區(qū)激光熔化Fe36Ni因瓦合金時(shí)，為消除“裂紋孔隙”耦合缺陷，可同步實(shí)施：A.基板預(yù)熱200℃B.激光重熔策略C.添加0.2wt%ZrD.層間停頓10sE.采用橢圓光斑答案：A、B、C解析：預(yù)熱降低溫度梯度，重熔閉合孔隙，Zr脫氧固硫抑制熱裂紋；層間停頓增加氧化，橢圓光斑對(duì)裂紋無(wú)顯著改善。三、判斷改錯(cuò)題（每題2分，共10分；先判斷對(duì)錯(cuò)，再改正錯(cuò)誤部分）16.在電子束熔化Ti6Al4V時(shí)，提高束流能量密度可完全消除“α集束”織構(gòu)。答案：錯(cuò)。改正：提高束流能量密度使冷卻速率降低，α集束織構(gòu)反而增強(qiáng)；需降低能量密度或后續(xù)熱機(jī)械處理才能弱化。17.冷噴涂制備的Cu涂層密度可達(dá)99.9%，因此其電導(dǎo)率與退態(tài)純銅相同。答案：錯(cuò)。改正：冷噴涂產(chǎn)生劇烈塑性變形，位錯(cuò)密度高，電導(dǎo)率約為退態(tài)銅的85–90%，需再結(jié)晶退火恢復(fù)。18.在激光熔覆高熵合金CoCrFeMnNi時(shí)，添加碳元素會(huì)擴(kuò)大FCC單相區(qū)。答案：錯(cuò)。改正：碳穩(wěn)定FCC能力弱，易形成M23C6或M7C3碳化物，導(dǎo)致FCC區(qū)縮小，脆性增加。19.采用超聲振動(dòng)輔助半固態(tài)A356壓鑄，可顯著降低鑄件氣孔率，其機(jī)理為超聲空化促進(jìn)氫擴(kuò)散外逸。答案：對(duì)。解析：空化氣泡崩潰產(chǎn)生局部高溫高壓，使溶解氫聚集并逸出，同時(shí)破碎枝晶降低黏度，利于氣體排出。20.對(duì)于選區(qū)激光熔化18Ni300模具鋼，層厚從30μm提高到60μm，表面粗糙度Ra一定增大。答案：錯(cuò)。改正：若同步提高激光功率、降低掃描速度，使單道熔池寬深比優(yōu)化，Ra可維持甚至降低，并非“一定”增大。四、簡(jiǎn)答題（每題8分，共24分）21.試述激光選區(qū)熔化（SLM）制備AlSi10Mg時(shí)“熱裂紋”形成機(jī)理，并給出三條工程抑制措施（需給出具體參數(shù)）。答案：機(jī)理：1.高熱膨脹系數(shù)（23×10??K?1）與低高溫塑性導(dǎo)致凝固末期收縮應(yīng)力超過材料臨界斷裂強(qiáng)度；2.共晶Si呈網(wǎng)狀分布，削弱晶界結(jié)合力；3.柱狀晶沿?zé)崃鞣较蜇灤?，晶界液膜在拉?yīng)力下開裂。抑制措施：1.基板預(yù)熱150–200℃，降低溫度梯度至<80Kmm?1，應(yīng)力減少30%；2.激光重熔策略：首道參數(shù)200W、1200mms?1，重熔80W、2400mms?1，輸入能量降低40%，使晶界Si破碎球化；3.添加0.15wt%Sc+0.08wt%Zr，形成Al3(Sc,Zr)納米彌散，晶粒細(xì)化至~1μm，裂紋密度由4.2mmcm?2降至0.1mmcm?2。22.對(duì)比傳統(tǒng)熱等靜壓（HIP）與增材制造原位HIP（“HIPinprocess”）在消除Ti6Al4V內(nèi)部孔隙方面的差異，并給出原位HIP的關(guān)鍵工藝窗口。答案：傳統(tǒng)HIP：需將打印件置于1000–1050℃、100–150MPaAr環(huán)境中2–4h，設(shè)備昂貴，晶粒長(zhǎng)大至300μm，屈服強(qiáng)度降低8–10%。原位HIP：在SLM過程中層間實(shí)施激光重熔+滾壓復(fù)合，利用局部高溫（β相變點(diǎn)以上）+壓力（滾壓≥500MPa）閉合孔隙，晶粒保持~50μm。關(guān)鍵窗口：1.重熔深度≥1.5倍層厚（60μm層厚選90μm熔深）；2.滾壓壓下量0.6–0.8%，滾輪溫度300℃防冷裂；3.層間間隔<30s，防止氧化；孔隙率可由0.4%降至<0.05%，疲勞壽命提高2.3倍。23.闡述高熵合金CoCrFeMnNi在選區(qū)電子束熔化（SEBM）中的“元素?fù)]發(fā)”規(guī)律，并設(shè)計(jì)一種成分補(bǔ)償策略。答案：規(guī)律：1.飽和蒸氣壓Ps：Mn>Cr>Fe>Co>Ni，Mn在1600℃下Ps=1.2×10?2Pa，為Ni的260倍；2.能量密度>120Jmm?3時(shí)，Mn損失率呈指數(shù)上升，每增加10Jmm?3損失率增加1.8%；3.揮發(fā)導(dǎo)致表面Mn含量由20at%降至12at%，形成富Ni/Co層，誘發(fā)B2有序相。補(bǔ)償策略：1.預(yù)合金粉末設(shè)計(jì)Mn過量20%，并采用“核殼”結(jié)構(gòu)：內(nèi)核Mn25at%，外殼Mn15at%，通過固態(tài)擴(kuò)散均勻化；2.分段工藝：首5層低能量80Jmm?3，后續(xù)正常120Jmm?3，使過量Mn向內(nèi)擴(kuò)散；3.實(shí)時(shí)EPMA閉環(huán)反饋，當(dāng)Mn<18at%時(shí)，自動(dòng)補(bǔ)償0.5at%Mn粉鋪灑，最終成分偏差控制在±1at%以內(nèi)。五、計(jì)算題（每題10分，共20分）24.已知選區(qū)激光熔化316L不銹鋼，激光功率P=350W，掃描速度v=1200mms?1，光斑直徑d=100μm，層厚t=40μm，粉末吸收率η=0.42，密度ρ=7.9gcm?3，比熱容cp=500Jkg?1K?1，熔化潛熱Lm=270kJkg?1，室溫25℃，熔點(diǎn)1400℃。（1）計(jì)算體積能量密度EV（Jmm?3）；（2）求理論致密度100%時(shí)所需最小能量密度Emin，并判斷當(dāng)前參數(shù)是否足夠；（3）若致密度僅達(dá)96%，求未熔粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)（忽略飛濺）。答案：（1）EV=P/(v·t·d)=350/(1200×0.04×0.1)=72.9Jmm?3（2）單位體積質(zhì)量m=ρ·V=7.9×10?3gmm?3升溫需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，能量足夠。（3）孔隙率4%，未熔粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)=4%×(Emin/EV)=4%×(18/72.9)=0.99%。25.冷噴涂Cu顆粒，直徑dp=25μm，密度ρ=8.9gcm?3，比熱容cp=0.385Jg?1K?1，屈服強(qiáng)度σy=200MPa，計(jì)算顆粒臨界速度vc（采用Assadi模型：vc=√[σy·(1Ti/Tm)/ρ]，Ti=室溫300K，Tm=1356K），并求當(dāng)載氣為N?（γ=1.4，R=297Jkg?1K?1，T0=800K，p0=3.0MPa）時(shí)，噴嘴出口馬赫數(shù)Ma需至少多少才能使顆粒加速至vc（忽略dragcoefficient變化，假設(shè)等熵膨脹，速度系數(shù)φ=0.85）。答案：vc=√[200×10?×(1300/1356)/8900]=√[200×10?×0.7787/8900]=418ms?1氣體出口速度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、綜合設(shè)計(jì)題（11分）26