电子束熔丝沉积增材制造TZM钼合金组织性能研究

发布时间：2020-06-05 14:54

【摘要】：TZM钼合金是目前应用最广泛的高熔点合金之一,在航天、军工以及核工业等领域有着广泛的应用。传统的TZM合金制备过程中需要昂贵的模具,工艺非常复杂,成本较高,还难以制备形状复杂的三维零件。电子束熔丝沉积工艺可以很好的解决这一问题,其具备能量输入大,沉积效率高,真空洁净度好,可直接成型复杂零件等特点,在难熔合金直接成型方面有着独特的优势。本文采用电子束熔丝沉积工艺制备TZM合金,研究了不同工艺参数下(扫描路径、束流密度、打印速度和送丝速度等)的沉积层宏观形貌、微观组织,力学性能以及内部缺陷。首先研究了不同工艺参数对沉积层宏观形貌的影响。研究发现采用往返扫描路径的沉积层宏观形貌更好。随着束流密度增大沉积层的宽度增大,高度下降,当打印速度增大时沉积层宽度下降,高度基本保持不变;同时,送丝速度增大时,沉积层高度增加,宽度基本不变。研究了工艺参数对沉积层微观组织的影响。束流密度较小时,沉积层内主要以不规则的块状晶粒为主,分布不均匀且没有明显规律。束流增大时,晶粒有趋于柱状晶生长的趋势。打印速度增大也有利于沉积层内形成柱状晶,其主要在[001]晶向择优生长,送丝速度的影响则相对较小。不同工艺参数下沉积层内部均没有明显的弥散增强颗粒形成,Ti的烧损非常严重,丝材中加入的Ti没有很好的起到强化的效果。研究了不同工艺参数下的沉积层的力学性能。沉积层硬度值没有特别明显的变化,基本都处于150HV~170 HV之间,沉积层的压缩性能存在一定的各向异性,在Z方向的压缩屈服强度要高于X方向的压缩屈服强度,最高压缩屈服强度在340MPa左右。采用重熔工艺后沉积层的压缩屈服强度会明显下降。研究了沉积层内部孔洞缺陷的形成机理以及不同工艺参数对孔洞分布和数量的影响。气孔的形成主要是由于丝材中微量杂质元素、合金元素Ti和丝材制备过程中氧化产生的MoO_3在沉积过程中高温挥发产生气体导致的。束流密度和打印速度增大会有效减少沉积层内部气孔,送丝速度适当增大有利于气孔的减少,但是继续增大时沉积层内部气孔会明显增多,存在临界值。采用重熔工艺可以有效减少沉积层内部的气孔缺陷。
【图文】：

商用化,美国,公司,设备

[43]。图1-4 美国Sciaky 公司商用化设备图1-5 美国Sciaky公司生产的钛合金飞机零件Wanjara 等人[44]利用电子束熔丝沉积快速成形技术沉积得到了不锈钢多层沉积层。研究发现沉积层的高度与层数有近似线性的关系，同时其力学性能优良。在微观组织中发现了典型碳化物，有利于奥氏体不锈钢增强，因此，该技术可以用于不锈钢零件的修复。美国空军学院的 R.W.Bush 等人[45]的研究研究结果表明，电子束熔丝沉积制备的 Ti-6Al-4V，其高温性能可与传统成型加工方法制备的 Ti-6Al-4V 相媲美，而且该工艺可成功制备性能优良的稀土弥散强化钛合金，这开辟了一条全新的耐高温钛合金制造路线。我国在电子束熔丝沉积快速形成技术方面的研究较早，基本与国际接轨。在 2006 年

熔丝,典型零件,电子束,成形

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文- 13 -图1-7 电子束熔丝沉积成形典型零件[43]华中科技大学陈彬彬[46]对电子束熔丝沉积过程中的传热与流动性为进行了相关研究，其在研究中发现电子束沉积过程中熔池的深宽比较小，深度较小，宽度较大，同时建立了相关模型，利用数值模拟的方法研究了丝材熔化滴落后对熔池温度场的影响情况，如图 1-8 中所示，而且对熔池内部热量传输行为进行了分析研究。图1-8 熔滴沉积过程中温度场的分布[46]北京航空制造工程研究所的黄志涛[47]等人针对 TC18 钛合金电子束熔丝成型过程中缺陷进行了研究，研究中表明，，电子束熔丝成型过程中存在一些孔洞缺陷（图 1-9），且主要以气孔为主。气孔的形成一方面是由于材料制备过程中被污染，没有彻底清洁，另一方面则是由于工艺不成熟导致的，严格控制原材料清洁
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TG146.412

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