激光选区熔化成形钛铝基金属复合材料微观组织与力学性能研究
发布时间：2020-11-12 08:52
钛铝基合金具有密度低、耐热性好、比强度高、良好的抗氧化性和高温蠕变性等优异的高温性能,被认为是未来应用于航空航天和汽车工业领域制造轻质结构零部件的理想材料。但是,TiAl合金较脆且热加工性较差,利用传统工艺制造零部件的过程中易开裂,无法整体成形结构复杂且性能优异的零部件。激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)在高能激光束的作用下可以直接熔化TiAl合金粉末成形具有复杂结构的零件,无需刀具和模具,成形速度快,缩短了产品的开发周期,适合航空航天领域结构复杂零部件的整体成形。与传统制造过程相比,SLM成形过程中金属粉末快速熔化、快速冷却,导致SLM成形件的微观组织和力学性能与传统件相比存在较大的差异。本文以Ti-48Al-2Cr-2Nb为基体粉末配制TiAl基金属粉末材料,研究SLM成形TiAl基合金粉末的工艺、微观组织与力学性能。主要内容如下:(1)研究了激光扫描线间距对SLM成形TiAl基合金过程中晶粒的大小与取向、织构、相位关系和力学性能的演变关系。研究发现SLM成形的Ti-48Al-2Cr-2Nb/RGO合金中,随着激光扫描线间距的增加,晶粒尺寸逐渐减小,但是晶粒的取向保持(0001)、(101?1)和(112?1)的混合取向不变;高角度晶界的含量逐渐降低;SLM成形件主要由α_2,γ和B_2相组成,且随着激光扫面线间距的增大,α_2相的含量逐渐降低而γ和B_2相的含量逐渐升高;成形合金试样的纳米硬度和杨氏模量分别由8.13±0.392 GPa和155.62±7.78 GPa增加至9.85±0.458 GPa和179.02±8.90 GPa。(2)研究了B元素的含量对SLM成形TiAl基合金粉末微观组织与力学性能的影响。研究结果表明在SLM成形的TiAl/B合金试样中,随着B元素的质量分数从0%增至2%,晶粒的平均尺寸从16.64μm降至5.66μm,同时晶粒的取向从很强的(101?1)和(112?1)取向转变为以(0001)取向为主;合金试样中{0001}取向的织构指数从10.78增加至22.69,高角度晶界的含量从87.9%升高到94.4%;SLM成形合金试样的抗压强度和应变分别从1083.16 MPa和3.43%增至1610.53 MPa和5.17%,其失效形式呈典型的脆性断裂模式。本文对SLM成形TiAl基复合材料的微观组织和力学性能的研究结果为SLM成形工艺提供理论基础,有利于SLM技术的推广和应用。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG665;TB331
【部分图文】：
展而来的[12]。与 SLS 技术相比，SLM 采用了一些新的特殊工艺，直接成形高致密度的金属零件。1986 年美国德克萨斯大学奥斯汀分校首次提出 SLS 成形技术，并在 1988年研制出世界上第一台 SLS 样机[13]。此样机使用功率较低的 CO2激光器，只能成形非金属材料或熔点相对较低的金属粉末。随着前期技术的积累以及激光制造技术的飞速发展，21 世纪初期市面上涌现众多 SLM 设备。目前，国外研究 SLM 技术的单位主要有比利时鲁汶大学[14]、德国 Fraunhofer 激光技术研究所、英国艾克赛特大学[15]、新加坡南洋理工大学[16]等，德国是从事 SLM 技术研究最早也是研究最深入的国家，国内主要有华中科技大学、西北工业大学、华南理工大学、西安交通大学等单位在模具、生物植入体、微制造及超轻结构件等方面开展了应用研究[17]。目前国外 EOS 公司、SLMSolutions 公司、Concept Laser 公司和 MCP 公司已经将 SLM 工艺应用到航空航天、汽车、家电、模具、工业设计、珠宝首饰、医学生物等领域，而国内应用方面发展相对缓慢[18]。如图 1-1 所示为国内外利用 SLM 成形技术制造的金属零件。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文；（3）SLM 设备成形控制软件读取 STL 文件，然后在计算机控制下化切片区域内的金属粉末；（4）成形缸下降一个单层厚度的距离，层厚度的距离；（5）在已成形面上铺一个单层厚度的金属粉末；（逐层堆积成形金属零件[19-20]。
避免传统制造过程中的拼装连接[22]。SLM成形技术工序简单，成形速度度降低零件的制造时间。因此，SLM成形技术可以缩短复杂结构的制造杂结构的快速成形[23]。2）节省材料，实现轻量化制造用传统的切削加工成形金属零件时，需要将坯料大面积切除，且切削废次利用，造成材料的利用率较低；SLM成形技术作为一种新型的增材制造程中基本上可以实现所需粉末材料与零件实体等体积制造，材料的利用上甚至接近100%，并且剩余的粉末材料很易回收重复利用，降低了零件很适合一些贵重的金属材料的成形制造[24]。对于一些传统制造技术无法孔结构，采用SLM技术在合适的参数条件下可以快速成形，并获得良好合适航空航天领域轻量化的发展需求[25]。SLM成形的轻量化多孔结构如
【参考文献】
本文编号：2880542
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG665;TB331
【部分图文】：
展而来的[12]。与 SLS 技术相比，SLM 采用了一些新的特殊工艺，直接成形高致密度的金属零件。1986 年美国德克萨斯大学奥斯汀分校首次提出 SLS 成形技术，并在 1988年研制出世界上第一台 SLS 样机[13]。此样机使用功率较低的 CO2激光器，只能成形非金属材料或熔点相对较低的金属粉末。随着前期技术的积累以及激光制造技术的飞速发展，21 世纪初期市面上涌现众多 SLM 设备。目前，国外研究 SLM 技术的单位主要有比利时鲁汶大学[14]、德国 Fraunhofer 激光技术研究所、英国艾克赛特大学[15]、新加坡南洋理工大学[16]等，德国是从事 SLM 技术研究最早也是研究最深入的国家，国内主要有华中科技大学、西北工业大学、华南理工大学、西安交通大学等单位在模具、生物植入体、微制造及超轻结构件等方面开展了应用研究[17]。目前国外 EOS 公司、SLMSolutions 公司、Concept Laser 公司和 MCP 公司已经将 SLM 工艺应用到航空航天、汽车、家电、模具、工业设计、珠宝首饰、医学生物等领域，而国内应用方面发展相对缓慢[18]。如图 1-1 所示为国内外利用 SLM 成形技术制造的金属零件。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文；（3）SLM 设备成形控制软件读取 STL 文件，然后在计算机控制下化切片区域内的金属粉末；（4）成形缸下降一个单层厚度的距离，层厚度的距离；（5）在已成形面上铺一个单层厚度的金属粉末；（逐层堆积成形金属零件[19-20]。
避免传统制造过程中的拼装连接[22]。SLM成形技术工序简单，成形速度度降低零件的制造时间。因此，SLM成形技术可以缩短复杂结构的制造杂结构的快速成形[23]。2）节省材料，实现轻量化制造用传统的切削加工成形金属零件时，需要将坯料大面积切除，且切削废次利用，造成材料的利用率较低；SLM成形技术作为一种新型的增材制造程中基本上可以实现所需粉末材料与零件实体等体积制造，材料的利用上甚至接近100%，并且剩余的粉末材料很易回收重复利用，降低了零件很适合一些贵重的金属材料的成形制造[24]。对于一些传统制造技术无法孔结构，采用SLM技术在合适的参数条件下可以快速成形，并获得良好合适航空航天领域轻量化的发展需求[25]。SLM成形的轻量化多孔结构如
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 杨锐;;钛铝金属间化合物的进展与挑战[J];金属学报;2015年02期
2 孔凡涛,陈玉勇,田竞,陈予勇;TiAl基金属间化合物研究进展[J];材料科学与工艺;2003年04期
相关博士学位论文 前2条
1 张升;医用合金粉末激光选区熔化成形工艺与性能研究[D];华中科技大学;2014年
2 闫春泽;聚合物及其复合粉末的制备与选择性激光烧结成形研究[D];华中科技大学;2009年
本文编号：2880542
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