低成本高性能钛基复合材料粉体制备及其选区激光熔化成形研究

发布时间：2020-03-25 17:06

【摘要】：钛基复合材料(TMCs)具有重量轻、硬度高、强度高、韧性好、耐腐蚀、耐磨损等优点,在汽车制造与航空航天方面具有重要的应用。由于钛的导热性差,熔点高和高温下易氧化等缺点,用传统的加工方式来制备钛基复合材料已经不能满足目前对于高性能材料的要求。作为增材制造中最重要一种加工方式之一的选择激光熔化(SLM)技术能很好地解决以上问题,而制约SLM技术发展的一个重要原因是原材料的成本问题。本文提出一种将不能直接用于选择激光熔化的非球形的超低成本钛粉改性成为可直接用于SLM成形的球形/近球形钛粉,并且在球磨改性过程中加入第二相粉体,在改性过程中实现了粉体的形貌和成分同步改性。利用选择激光熔化技术成功地制备出了低成本高性能的钛基复合材料(TiB/Ti based composites),系统地研究了第二相的添加量对钛基复合材料微观形貌和机械性能的影响。主要研究内容为:(1)对复合粉体改性过程中的球磨参数进行了探索,采用扫描电子显微镜(SEM)观察了不同参数下的球磨改性粉体形貌,得出球形度最好的改性参数。利用X射线衍射(XRD)、能谱分析(EDS)、激光粒度仪、粉体综合特性测试仪和氮氧分析仪等仪器研究了改性前后粉体的物相变化、元素含量、粒度分布、流动性、和氧含量等。(2)在SLM制备钛基复合材料过程中,改变激光功率和激光扫描速度,成功制备出表面完整无缺陷的钛基复合材料。对打印后的成形件进行致密度测试和微焦点CT三维扫描,结果表明:能量密度从46 J/mm~3增大到97 J/mm~3时,致密度先增大后减小,当能量密度为64 J/mm~3时致密度最高为99.3%;当激光功率从90W增加到140W后,致密度逐渐减小,激光功率为140W时,打印件的致密度低于99%。微焦点CT三维扫描后发现试样内部主要分布有一些球形气孔,没有发现裂纹等缺陷。(3)采用光学显微镜(OM)、SEM、XRD、EDS和电子背散射衍射(EBSD)等技术研究了SLM成形不同TiB_2添加量下钛基复合材料的微观形貌、物相变化、成分分析和晶粒尺寸,结果表明:加入的TiB_2颗粒与Ti发生原位反应生成了短棒状的TiB晶须。当TiB_2添加量较少时,成形件的晶粒细化并出现少量的TiB晶须;当TiB_2添加量较多时,成形件的熔道变得清晰可见,而且出现大量的TiB增强相,部分TiB发生聚集,平均晶粒尺寸从4.52μm细化到了1.11μm,晶粒形状也由刚开始的片状转化为等轴状。(4)最后对不同TiB_2添加量下SLM成形的TiB/Ti基复合材料的拉伸性能、压缩性能和显微硬度进行了测试,对拉伸断口进行微观分析。试验结果表明,随着TiB_2添加量的增加,拉伸强度和压缩强度增大,抗拉强度由913MPa增加到1100MPa,压缩强度由1562MPa增加到1863MPa,而拉伸应变和压缩应变减小,拉伸应变由16%减小到1.7%,压缩应变由46%减小到33%,断裂方式由韧性断裂方式转变为准解理断裂。随着TiB_2添加量的增加,硬度由295HV增加到411HV,压痕面积逐步减小。
【图文】：

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1-1 氢化脱氢法制备钛粉工艺流比于气雾化钛粉在价格上具研究，以下对氢化脱氢钛粉的属钙在高温下生成的钙蒸汽氧处理，经过洗涤干燥后得降到了 0.14%。清华大学的stem）对氢化脱氢钛粉进行球好，，流动性指数从 46 提高到2 为氢化脱氢钛粉球化前后粉

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图 1-1 氢化脱氢法制备钛粉工艺流程图于氢化脱氢钛粉相比于气雾化钛粉在价格上具有很大的优势，所氢化脱氢钛粉都有研究，以下对氢化脱氢钛粉的研究做简要综述。明祥等人[36]利用金属钙在高温下生成的钙蒸汽作为还原剂，对氧化脱氢钛粉进行脱氧处理，经过洗涤干燥后得到脱氧钛粉，经过脱从原来的 0.56%下降到了 0.14%。清华大学的盖国胜等人[37]利用 articalCompositeSystem）对氢化脱氢钛粉进行球化处理，结果发现后粉体的流动性变好，流动性指数从 46 提高到 71，体积密度从 1.1 1.73 g/cm3，图 1-2 为氢化脱氢钛粉球化前后粉体形貌。
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.3

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