增材制造試題及答案一、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.掃描間距B.鋪粉層厚C.基板預(yù)熱溫度D.激光光斑直徑答案：A解析：掃描間距直接決定相鄰熔道搭接率，搭接不足出現(xiàn)未熔合孔洞，搭接過大則能量冗余產(chǎn)生球化，兩者均使致密度下降；層厚、預(yù)熱、光斑雖有關(guān)聯(lián)，但非首要因素。2.關(guān)于電子束熔化（EBM）工藝特有的“預(yù)熱粉末”步驟，下列描述正確的是：A.預(yù)熱目的是降低粉末流動(dòng)性，防止飛濺B.預(yù)熱溫度通常低于粉末再結(jié)晶溫度C.預(yù)熱由掃描電子束逐層完成，溫度梯度小D.預(yù)熱階段電子束電流遠(yuǎn)高于熔化階段答案：C解析：EBM預(yù)熱階段電子束高速掃描整層粉末，使其輕微燒結(jié)并升溫至0.4~0.5Tm，減少后續(xù)熔化熱應(yīng)力；電流遠(yuǎn)低于熔化階段，溫度梯度小且均勻。3.在聚合物材料擠出成形（FDM）中，若出現(xiàn)“象腳”缺陷，最優(yōu)先調(diào)整的參數(shù)是：A.噴嘴溫度B.層厚C.底層打印速度D.回退距離答案：C解析：底層速度過慢導(dǎo)致材料在噴嘴前堆積，冷卻不足被后續(xù)層擠壓外擴(kuò)形成象腳；提高底層速度可瞬間減小滯留時(shí)間，缺陷隨之消失。4.金屬粘結(jié)劑噴射（BJT）打印生坯經(jīng)脫脂后，若出現(xiàn)“鼓泡”缺陷，其根本原因是：A.脫脂升溫速率過快，分解氣體無法及時(shí)排出B.粉末粒徑分布過寬C.噴射飽和度不足D.燒結(jié)溫度低于液相線答案：A解析：鼓泡為典型氣體滯留現(xiàn)象；粘結(jié)劑分解產(chǎn)生大量小分子，升溫過快導(dǎo)致內(nèi)壓驟增，突破坯體表面形成氣泡。5.對(duì)于增材制造Ti6Al4V零件，采用熱等靜壓（HIP）后處理的主要目的是：A.提高表面光潔度B.消除內(nèi)部未熔合缺陷并提高疲勞性能C.細(xì)化原始β晶粒D.降低殘余拉應(yīng)力并提高硬度答案：B解析：HIP通過高溫高壓使內(nèi)部微孔閉合，顯著降低裂紋萌生概率，疲勞壽命可提高3~5倍；對(duì)表面粗糙度與晶粒尺寸影響有限。6.在激光立體成形（LSF）修復(fù)航空葉片時(shí)，采用“等高三維偏移”掃描策略的優(yōu)點(diǎn)是：A.減少熱輸入，降低稀釋率B.保證幾何精度，避免臺(tái)階效應(yīng)C.提高熔覆效率，減少搭接次數(shù)D.抑制柱狀晶外延生長答案：B解析：等高偏移使熔覆層厚度均勻，與基體曲面貼合，避免傳統(tǒng)平面切片造成的臺(tái)階紋；熱輸入與稀釋率主要由功率與送粉速率決定。7.下列哪種后處理技術(shù)對(duì)提高選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）聚酰胺12（PA12）制件表面光澤度最有效？A.化學(xué)蒸汽平滑（VaporSmoothing）B.微噴砂C.紫外固化涂層D.低溫等離子清洗答案：A解析：化學(xué)蒸汽平滑利用溶劑蒸汽短暫溶解表層，使峰谷差從8–10μm降至1μm以下，光澤度可提高80%以上；其余方法僅能去除浮粉或增加涂層。8.在增材制造設(shè)計(jì)（DfAM）中，“自支撐角度”一般指無需添加支撐即可成功打印的懸垂臨界角，對(duì)于SLM不銹鋼316L，該角度約為：A.15°B.25°C.45°D.65°答案：C解析：316L表面張力與熔池粘度適中，45°以下懸垂可依靠自身已固化層提供熱沉，避免掛渣；角度再小需局部支撐。9.采用電弧增材制造（WAAM）成形鋁合金時(shí)，脈沖Mig模式相比直流恒壓模式的主要優(yōu)勢(shì)是：A.降低氣孔率B.提高熔敷效率C.減少層間未熔合D.降低熱裂紋敏感性答案：A解析：脈沖模式峰值電流高、基值電流低，熔滴過渡可控，減少氫致氣孔；恒壓模式熔池波動(dòng)大，氣孔率增加30–50%。10.對(duì)于陶瓷光固化（DLP）工藝，下列哪種光引發(fā)體系最適合高固含量（≥50vol%）氧化鋁漿料？A.二苯甲酮/胺體系B.樟腦醌/胺體系C.TPO/丙烯酸酯體系D.雙咪唑/萘酰亞胺體系答案：C解析：TPO在405nm處摩爾消光系數(shù)高，引發(fā)效率高，且對(duì)高折射率陶瓷顆粒散射不敏感；其余體系或吸光度不足或固化深度過淺。二、多項(xiàng)選擇題（每題3分，共15分，多選少選均不得分）11.下列哪些措施可有效抑制SLM打印鎳基高溫合金的熱裂紋？A.提高基板預(yù)熱溫度至200℃B.降低激光功率并提高掃描速度C.添加1–2wt%Nb進(jìn)行微合金化D.采用棋盤島式掃描策略E.打印后立刻進(jìn)行1100℃固溶處理答案：A、C、D解析：預(yù)熱降低溫度梯度，Nb可形成γ″相釘扎晶界，島式掃描減少長程拉應(yīng)力；單純降低功率反而使熔池變淺、未熔合增加，打印后立刻高溫固溶會(huì)釋放殘余應(yīng)力但無法抑制裂紋萌生。12.關(guān)于EBM打印純鈦的微觀組織特征，下列說法正確的有：A.原始β晶粒沿建造方向呈粗大柱狀B.冷卻速率快，形成全α′馬氏體C.建造方向與橫向的屈服強(qiáng)度差異可達(dá)100MPaD.經(jīng)800℃/2h退火后，α′分解為α+β層片E.晶內(nèi)位錯(cuò)密度低于鑄造純鈦答案：A、C、D解析：EBM熱輸入高，冷卻速率低于SLM，形成原始β+部分α′；建造方向強(qiáng)度高于橫向；退火后馬氏體分解，位錯(cuò)密度實(shí)際更高。13.在FDM打印碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮（CF/PEEK）時(shí)，為提高層間剪切強(qiáng)度，可采?。篈.噴嘴溫度升至450℃B.打印腔體通氮至氧含量<100ppmC.層間暫停5s施加0.3MPa壓力D.使用0.2mm厚底涂層E.后處理380℃熱壓30min答案：B、C、E解析：氮?dú)夥乐垢邷匮趸?，層間熱壓促進(jìn)分子鏈擴(kuò)散，熱壓退火消除孔隙；450℃已超PEEK分解閾值，底涂層對(duì)層間強(qiáng)度無直接貢獻(xiàn)。14.金屬BJT工藝中，影響燒結(jié)收縮各向異性的因素包括：A.粉末球形度B.噴射飽和度梯度C.生坯密度梯度D.燒結(jié)支撐摩擦E.粘結(jié)劑分子量答案：B、C、D解析：飽和度差異導(dǎo)致局部密度差，密度梯度與支撐摩擦共同引起非均勻收縮；球形度與分子量主要影響生坯強(qiáng)度，不直接決定各向異性。15.采用激光選區(qū)燒結(jié)（SLS）打印TPU鞋中底時(shí)，為提高能量回饋率，可：A.提高激光功率至45WB.采用0.08mm薄層厚C.二次預(yù)熱輥壓實(shí)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：薄層厚提高層間熔合，輥壓減少孔隙，退火消除內(nèi)應(yīng)力并提高彈性；功率過高導(dǎo)致過燒、能量損耗，玻璃微珠增加剛度但降低回彈。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.SLM打印鋁合金時(shí)，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)可完全避免氧化夾雜物。答案：錯(cuò)改正：氮?dú)馀c鋁在高溫下反應(yīng)生成AlN，反而增加夾雜；應(yīng)使用氬氣或氦氣保護(hù)。17.在WAAM過程中，層間溫度控制在150℃以下會(huì)增大熱裂紋傾向。答案：錯(cuò)改正：層間溫度過低導(dǎo)致冷卻速率過快，易形成硬脆相，應(yīng)控制在150–250℃區(qū)間。18.對(duì)于光固化陶瓷，曝光劑量越大，坯體線性收縮率越小。答案：錯(cuò)改正：曝光劑量過大導(dǎo)致過度交聯(lián)，收縮率反而增大；應(yīng)控制在臨界曝光量1.5–2倍。19.EBM工藝因真空環(huán)境，打印銅合金時(shí)無需考慮氧化變色問題。答案：對(duì)解析：真空度≤5×10?3mbar，氧分壓極低，銅表面保持金屬光澤。20.FDM打印PLA時(shí)，將噴嘴溫度從200℃降至180℃可顯著減少翹曲。答案：錯(cuò)改正：PLA玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約60℃，降溫導(dǎo)致層間粘合不足，反而易出現(xiàn)層間剝離；應(yīng)提高平臺(tái)溫度至60–70℃減少翹曲。四、簡答題（每題8分，共24分）21.簡述激光選區(qū)熔化（SLM）制備馬氏體時(shí)效鋼18Ni300時(shí)，出現(xiàn)“球化”缺陷的機(jī)理及三種抑制措施。答案：機(jī)理：激光能量密度不足或保護(hù)氣氛氧含量過高，熔池表面張力梯度驅(qū)動(dòng)Marangoni對(duì)流，液相無法充分鋪展，凝固后形成孤立球狀顆粒。措施：（1）提高激光功率密度至1.4×10?W/m2以上，保證熔池溫度超過液相線200℃；（2）降低氧含量至50ppm以下，減少表面氧化膜對(duì)潤濕的阻礙；（3）采用67°旋轉(zhuǎn)棋盤掃描，縮短熔道暴露時(shí)間，降低球化聚集概率。22.對(duì)比說明聚合物MultiJetFusion（MJF）與SLS在打印PA12時(shí)的熱力學(xué)過程差異，并指出MJF獲得更高表面硬度的原因。答案：SLS采用CO?激光點(diǎn)掃描，局部瞬時(shí)升溫至180–190℃，粉末界面熔融后快速冷卻，結(jié)晶度約30%，表面硬度HV5–7。MJF通過紅外燈整體加熱至180℃，融合劑（黑色）吸光升溫至220℃，非融合區(qū)域保持固態(tài)，冷卻速率20℃/min，結(jié)晶度提高至45%，且融合劑中含2%納米二氧化硅，起到異相成核作用，表面硬度HV12–15。23.電弧增材制造（WAAM）成形2319鋁合金大型壁板時(shí)，為何常采用“雙絲CMT脈沖”模式？請(qǐng)從熱輸入、組織與性能三方面分析。答案：熱輸入：CMT脈沖周期短路過渡，峰值電流250A，基值50A，平均熱輸入降低25%，減少層間過熱塌陷；組織：脈沖攪拌熔池，打破柱狀晶外延生長，晶粒細(xì)化30%，二次枝晶臂間距降至12μm；性能：抗拉強(qiáng)度310MPa，較直流CMT提高15%，延伸率保持18%，滿足AMS2772航空標(biāo)準(zhǔn)。五、計(jì)算題（共15分）24.某SLM設(shè)備使用316L不銹鋼粉末，層厚30μm，激光光斑直徑80μm，掃描速度1200mm/s，激光功率195W，搭接率35%。求：（1）單道熔池截面積近似為60μm×120μm的半橢圓，求理論致密度（忽略球化與孔隙）；（2）若實(shí)際致密度為99.2%，求單位體積能量（J/mm3）與能量密度（J/mm2）。答案：（1）單道截面積A=?×π×60×120×10??=1.13×10??m2單道體積V=A×v×t=1.13×10??×1.2×1=1.36×10??m3/s質(zhì)量流?=V×ρ=1.36×10??×7980=1.08×10??kg/s理論密度ρ?=7980kg/m3，致密度100%。（2）實(shí)際致密度99.2%，則孔隙率0.8%。單位體積能量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：能量輸入高于60J/mm3可保證全熔，但超過80J/mm3易產(chǎn)生球化，本題67.7J/mm3處于工藝窗口中心，致密度實(shí)測99.2%與計(jì)算吻合。25.某陶瓷光固化坯體含55vol%Al?O?，聚合物密度1.2g/cm3，Al?O?密度3.96g/cm3。坯體尺寸20mm×20mm×10mm，燒結(jié)后線性收縮18%。求：（1）坯體理論質(zhì)量；（2）燒結(jié)后體積及相對(duì)密度（燒結(jié)體理論密度3.96g/cm3）。答案：（1）坯體體積V?=4cm3聚合物體積V_p=0.45×4=1.8cm3，質(zhì)量m_p=1.8×1.2=2.16g陶瓷體積V_c=2.2cm3，質(zhì)量m_c=2.2×3.96=8.71g坯體質(zhì)量m=10.87g（2）線性收縮18%，體積收縮β=1?(1?0.18)3=0.389燒結(jié)后體積V_s=4×(1?0.389)=2.44cm3燒結(jié)后質(zhì)量不變，理論體積V_th=10.87/3.96=2.74cm3相對(duì)密度ρ_r=2.44/2.74=89.1%解析：收縮率大，需設(shè)計(jì)支撐及燒結(jié)底座，防止重力變形。六、綜合設(shè)計(jì)題（共16分）26.某航天企業(yè)需采用SLM制造18Ni300馬氏體時(shí)效鋼托架，最大外形120mm×80mm×45mm，服役載荷18kN拉伸，要求屈服強(qiáng)度≥1850MPa，延伸率≥8%，疲勞壽命10?周次@450MPa。請(qǐng)給出：（1）打印方向與支撐策略；（2）熱處理制度；（3）無損檢測方法及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；（4）若發(fā)現(xiàn)0.3mm未熔合缺陷，是否允許使用？給出判據(jù)。答案：（1）打印方向：托架承拉方向與建造方向呈45°，減少各向異性；支撐采用樹狀輕量化