钛基氧化锆复合材料选区激光熔化工艺及组织性能研究
发布时间：2021-11-14 07:42
钛合金与氧化锆在航空航天、医用植入体等领域都有广泛应用,将氧化锆添加到钛合金中形成复合材料,可以增加强度和硬度,改善耐磨性和高温性能等。但钛合金与氧化锆互不润湿,传统制造方法难以达到二者的有效结合。选区激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）技术激光具有能量密度大、成形精度高、速度快、可定制化等特点,是制备钛基氧化锆复合材料的理想工艺。本文采用先超声振动预混合,后混粉机连续混合的方法,使纳米尺度的氧化锆粉末均匀分布于微米尺度的TC4（Ti-6Al-4V）粉末球的表面,制备了钛合金与氧化锆质量比分别为100:3和100:10的两种粉末TC4-3nYSZ和TC4-10nYSZ,然后采用SLM工艺制备钛基氧化锆复合材料。利用光学显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等方法研究了复合材料的物相构成和组织特征,分析了其力学性能。研究了 SLM工艺参数和氧化锆含量对钛基氧化锆复合材料组织性能的影响,结果如下:研究了选区激光熔化工艺参数（激光功率P、扫描速度V、扫描间距H）对钛基氧化材料致密度、成形质量的影响。随着氧化锆质量分数提高,SLM成形钛基氧化锆复...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１等离子喷涂氧化锆表面层的钛基台［ｉ７］??Ｆｉｕｒｅ?１．１?Ｐｌａｓｍａ?ｓｒａｙｅｄ?ｔｉｔａｎｉｕｍ?ａｂｕｔｍｅｎｔ?ｏｆ?ｚｉｒｃｏｎｉａ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｌａｅｒ１＇７１??
山东大学硕士学位论文??激光器?????１?１—控制系统??刮板丁－＾??Ｔ??Ｉ?［Ｉ?１７?ｉｎ?￣ｉ￣??试样基板?粉末??回收腔成形腔?送粉腔??图１．４选区激光熔化技术示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｌａｓｅｒ?ｍｅｌｔｉｎｇ??１．３．２钛合金粉末研究??粉末作为ＳＬＭ成形的基础原料，其质量好坏直接决定了成形件质量，也影??响着ＳＬＭ过程中工艺参数的制定。通常以松装密度、颗粒形状、粒径分布、杂??质元素含量和空心球率等指标衡量粉末质量好坏｜３９］。??（１）松装密度??ＳＬＭ成形铺粉的过程中，粉末以松散的状态分布于基板上，松装密度反映??了其内部孔隙多少，高的松装密度有利于成形出致密的合金件。??（２）颗粒形状??粉末颗粒的微观形貌决定了?ＳＬＭ过程中均匀铺展的能力，通常球形度较高??的粉末更易铺展，成形过程更加稳定。球形度差的粉末，容易出现高低不平的表??面形貌，影响成形件质量。??（３）粒径分布??粒径集中的粉末吸收激光能量时比较均匀，可以同时熔化同时凝固，避免因??熔化凝固时间不一致造成的夹杂，从这点上来说粉末粒径越集中越好。然而，当??粉末粒径分散时，大颗粒粉末之间的孔隙被小颗粒粉末填充，松装密度升高，如??图１．５所示。所以粉末粒径分布需要与松装密度取得平衡。??（４）杂质元素含量??氮、氧、氢等元素被认为是不利于钛合金成形的，在粉末制备过程中就应该??尽量避免掺杂。烘干粉末可以有效降低粉末中氢的含量，ＳＬＭ成形过程中通常??７??
第１章绪论??在惰性气体的保护下进行，避免高温下的钛合金与空气中的氮气、氧气反应。??图１．５粉末中小颗粒填充到大颗粒的间隙中??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｓｍａｌｌ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｏｗｄｅｒ?ｆｉｌｌ?ｔｈｅ?ｇａｐｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?ｌａｒｇｅ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ??（５）?空心球与夹杂??粉末中的空心粉经历ＳＬＭ过程后，会在成形件内部留下气孔，影响其致密??度，严重降低其疲劳性能［４（）］。粉末中的杂质留存在ＳＬＭ成形件内部导致微裂纹??的产生，造成材料力学性能的下降。由于制粉工艺限制，这两个问题很难完全避??免，应当严格控制粉末中空心球和夹杂的比例。??１．３．３激光系统对ＳＬＭ成形钛合金性能影响??ＳＬＭ成形ＴＣ４钛合金的关键性能指标是致密度（实际体积与理论体积之比）??和力学性能。激光直接作用于粉末表面，决定了粉末熔化成形过程，因此激光系??统对钛合金成形性能有重要影响。激光系统中可调节的参数通常包括：激光功率、??扫描速度、扫描间距和扫描层厚等，这些参数影响了?ＳＬＭ成形的热过程，从而??影响钛合金性能。??激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描层厚直接影响ＳＬＭ过程的热量输入。??热输入过高导致飞溅、晶粒粗大等现象，热输入过低又会导致未熔合、“球化”??等缺陷。哈尔滨工业大学张慧等人的研宄表明，热输入越大，ＳＬＭ过程中的??熔池宽度和深度越大，熔道中心和熔道边缘的高度差越大［４２］。高度差过大，不仅??会造成ＳＬＭ成形ＴＣ４钛合金表面粗糙，更会降低材料致密度和力学性能，在成??形过程中还可能因为高度超过层厚，与运行中的刮刀摩擦，形成裂纹。??ＳＬＭ成形不同材料时，激光系统参数有
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4钛合金真空渗氮动力学研究[J]. 杨闯,马亚芹,刘静,王华. 热加工工艺. 2020(02)
[2]退火温度对激光选区熔化成形TC4钛合金组织及力学性能的影响[J]. 张伟祥,唐超兰,陈志茹,周德敬,李龙,楚瑞坤. 金属热处理. 2019(06)
[3]3D打印钛合金内部孔洞的研究进展[J]. 陈迪,王燎,高海燕,孙宝德,刘雅辉,王俊. 应用激光. 2019(01)
[4]激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力[J]. 王俊飞,袁军堂,汪振华,章波,刘嘉鑫. 激光技术. 2019(03)
[5]热处理对激光选区熔融TC4合金性能的影响[J]. 周俊,云忠,汤晓燕,舒鼎. 金属热处理. 2018(10)
[6]国内外增材制造SLM用TC4金属粉末工艺性能研究[J]. 俞俊钟. 科技资讯. 2018(27)
[7]选区激光熔化3D打印钛合金及其复合材料研究进展[J]. 李海亮,贾德昌,杨治华,段小明,蔡德龙,周玉. 材料科学与工艺. 2019(02)
[8]TC4/ZrO2复合材料激光近净成形微观组织分析[J]. 沈忱,马广义,闫帅,牛方勇,吴东江. 稀有金属材料与工程. 2018(08)
[9]激光参数和扫描策略对选择性激光熔化TC11合金成形性能的影响[J]. 谢琰军,杨怀超,王学兵,况春江,韩伟. 粉末冶金工业. 2018(02)
[10]ZrO2p/Ti-6Al-4V梯度热障复合材料层制备及组织性能[J]. 刘德健,唐峰,郭溪溪. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(12)
博士论文
[1]激光选区熔化成形Ti-6Al-4V合金的组织演变及调控[D]. 杨晶晶.华中科技大学 2017
[2]TC4钛合金与钛基复合材料喷丸强化及其XRD表征[D]. 谢乐春.上海交通大学 2015
[3]钛合金熔体与陶瓷铸型界面反应规律及微观机理研究[D]. 刘爱辉.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]多孔TC4金属支架细胞毒性及成骨效应研究[D]. 胡梦蝶.遵义医科大学 2019
[2]TC4激光选区熔化成形工艺与性能研究[D]. 王凯.北京石油化工学院 2018
[3]TC4合金选区激光熔化（SLM）成形的微观组织及性能研究[D]. 黄建国.南昌航空大学 2018
[4]3D打印扫描工艺与TC4合金拉伸性能之间关系的研究[D]. 姚志富.哈尔滨工业大学 2018
[5]模具钢选区激光熔化工艺及组织性能研究[D]. 田杰.山东大学 2018
[6]选区激光熔化TC4合金的凝固组织演化规律研究[D]. 张慧.哈尔滨工业大学 2017
[7]钛合金激光选区熔化工艺优化与性能研究[D]. 王小龙.华南理工大学 2016
[8]等离子喷涂纳米氧化锆—钛基台材料的机械相容性研究[D]. 郭美画.山东大学 2015
[9]复合负热膨胀材料的合成、表征及性质[D]. 刘颖.河北大学 2009
本文编号：3494233
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：104 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１等离子喷涂氧化锆表面层的钛基台［ｉ７］??Ｆｉｕｒｅ?１．１?Ｐｌａｓｍａ?ｓｒａｙｅｄ?ｔｉｔａｎｉｕｍ?ａｂｕｔｍｅｎｔ?ｏｆ?ｚｉｒｃｏｎｉａ?ｓｕｒｆａｃｅ?ｌａｅｒ１＇７１??
山东大学硕士学位论文??激光器?????１?１—控制系统??刮板丁－＾??Ｔ??Ｉ?［Ｉ?１７?ｉｎ?￣ｉ￣??试样基板?粉末??回收腔成形腔?送粉腔??图１．４选区激光熔化技术示意图??Ｆｉｇｕｒｅ?１．４?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｏｆ?ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ?ｌａｓｅｒ?ｍｅｌｔｉｎｇ??１．３．２钛合金粉末研究??粉末作为ＳＬＭ成形的基础原料，其质量好坏直接决定了成形件质量，也影??响着ＳＬＭ过程中工艺参数的制定。通常以松装密度、颗粒形状、粒径分布、杂??质元素含量和空心球率等指标衡量粉末质量好坏｜３９］。??（１）松装密度??ＳＬＭ成形铺粉的过程中，粉末以松散的状态分布于基板上，松装密度反映??了其内部孔隙多少，高的松装密度有利于成形出致密的合金件。??（２）颗粒形状??粉末颗粒的微观形貌决定了?ＳＬＭ过程中均匀铺展的能力，通常球形度较高??的粉末更易铺展，成形过程更加稳定。球形度差的粉末，容易出现高低不平的表??面形貌，影响成形件质量。??（３）粒径分布??粒径集中的粉末吸收激光能量时比较均匀，可以同时熔化同时凝固，避免因??熔化凝固时间不一致造成的夹杂，从这点上来说粉末粒径越集中越好。然而，当??粉末粒径分散时，大颗粒粉末之间的孔隙被小颗粒粉末填充，松装密度升高，如??图１．５所示。所以粉末粒径分布需要与松装密度取得平衡。??（４）杂质元素含量??氮、氧、氢等元素被认为是不利于钛合金成形的，在粉末制备过程中就应该??尽量避免掺杂。烘干粉末可以有效降低粉末中氢的含量，ＳＬＭ成形过程中通常??７??
第１章绪论??在惰性气体的保护下进行，避免高温下的钛合金与空气中的氮气、氧气反应。??图１．５粉末中小颗粒填充到大颗粒的间隙中??Ｆｉｇｕｒｅ?１．５?Ｓｍａｌｌ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ?ｉｎ?ｔｈｅ?ｐｏｗｄｅｒ?ｆｉｌｌ?ｔｈｅ?ｇａｐｓ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｔｈｅ?ｌａｒｇｅ?ｐａｒｔｉｃｌｅｓ??（５）?空心球与夹杂??粉末中的空心粉经历ＳＬＭ过程后，会在成形件内部留下气孔，影响其致密??度，严重降低其疲劳性能［４（）］。粉末中的杂质留存在ＳＬＭ成形件内部导致微裂纹??的产生，造成材料力学性能的下降。由于制粉工艺限制，这两个问题很难完全避??免，应当严格控制粉末中空心球和夹杂的比例。??１．３．３激光系统对ＳＬＭ成形钛合金性能影响??ＳＬＭ成形ＴＣ４钛合金的关键性能指标是致密度（实际体积与理论体积之比）??和力学性能。激光直接作用于粉末表面，决定了粉末熔化成形过程，因此激光系??统对钛合金成形性能有重要影响。激光系统中可调节的参数通常包括：激光功率、??扫描速度、扫描间距和扫描层厚等，这些参数影响了?ＳＬＭ成形的热过程，从而??影响钛合金性能。??激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描层厚直接影响ＳＬＭ过程的热量输入。??热输入过高导致飞溅、晶粒粗大等现象，热输入过低又会导致未熔合、“球化”??等缺陷。哈尔滨工业大学张慧等人的研宄表明，热输入越大，ＳＬＭ过程中的??熔池宽度和深度越大，熔道中心和熔道边缘的高度差越大［４２］。高度差过大，不仅??会造成ＳＬＭ成形ＴＣ４钛合金表面粗糙，更会降低材料致密度和力学性能，在成??形过程中还可能因为高度超过层厚，与运行中的刮刀摩擦，形成裂纹。??ＳＬＭ成形不同材料时，激光系统参数有
【参考文献】：
期刊论文
[1]TC4钛合金真空渗氮动力学研究[J]. 杨闯,马亚芹,刘静,王华. 热加工工艺. 2020(02)
[2]退火温度对激光选区熔化成形TC4钛合金组织及力学性能的影响[J]. 张伟祥,唐超兰,陈志茹,周德敬,李龙,楚瑞坤. 金属热处理. 2019(06)
[3]3D打印钛合金内部孔洞的研究进展[J]. 陈迪,王燎,高海燕,孙宝德,刘雅辉,王俊. 应用激光. 2019(01)
[4]激光选区熔化成形TC4钛合金薄壁件变形与残余应力[J]. 王俊飞,袁军堂,汪振华,章波,刘嘉鑫. 激光技术. 2019(03)
[5]热处理对激光选区熔融TC4合金性能的影响[J]. 周俊,云忠,汤晓燕,舒鼎. 金属热处理. 2018(10)
[6]国内外增材制造SLM用TC4金属粉末工艺性能研究[J]. 俞俊钟. 科技资讯. 2018(27)
[7]选区激光熔化3D打印钛合金及其复合材料研究进展[J]. 李海亮,贾德昌,杨治华,段小明,蔡德龙,周玉. 材料科学与工艺. 2019(02)
[8]TC4/ZrO2复合材料激光近净成形微观组织分析[J]. 沈忱,马广义,闫帅,牛方勇,吴东江. 稀有金属材料与工程. 2018(08)
[9]激光参数和扫描策略对选择性激光熔化TC11合金成形性能的影响[J]. 谢琰军,杨怀超,王学兵,况春江,韩伟. 粉末冶金工业. 2018(02)
[10]ZrO2p/Ti-6Al-4V梯度热障复合材料层制备及组织性能[J]. 刘德健,唐峰,郭溪溪. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(12)
博士论文
[1]激光选区熔化成形Ti-6Al-4V合金的组织演变及调控[D]. 杨晶晶.华中科技大学 2017
[2]TC4钛合金与钛基复合材料喷丸强化及其XRD表征[D]. 谢乐春.上海交通大学 2015
[3]钛合金熔体与陶瓷铸型界面反应规律及微观机理研究[D]. 刘爱辉.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]多孔TC4金属支架细胞毒性及成骨效应研究[D]. 胡梦蝶.遵义医科大学 2019
[2]TC4激光选区熔化成形工艺与性能研究[D]. 王凯.北京石油化工学院 2018
[3]TC4合金选区激光熔化（SLM）成形的微观组织及性能研究[D]. 黄建国.南昌航空大学 2018
[4]3D打印扫描工艺与TC4合金拉伸性能之间关系的研究[D]. 姚志富.哈尔滨工业大学 2018
[5]模具钢选区激光熔化工艺及组织性能研究[D]. 田杰.山东大学 2018
[6]选区激光熔化TC4合金的凝固组织演化规律研究[D]. 张慧.哈尔滨工业大学 2017
[7]钛合金激光选区熔化工艺优化与性能研究[D]. 王小龙.华南理工大学 2016
[8]等离子喷涂纳米氧化锆—钛基台材料的机械相容性研究[D]. 郭美画.山东大学 2015
[9]复合负热膨胀材料的合成、表征及性质[D]. 刘颖.河北大学 2009
本文编号：3494233
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