氧化铝材料EBSM成形技术及熔化机理模拟研究

发布时间：2020-06-08 16:45

【摘要】：本文使用电子束选区熔化(EBSM)技术成形Al_2O_3,并使用分子动力学方法(MD)模拟纯Al_2O_3纳米颗粒、含表面缺陷和含杂质的Al_2O_3颗粒的熔化过程,研究不同升温速率对Al_2O_3颗粒熔点的影响,得出如下结论:(1)使用EBSM技术成形的Al_2O_3样品表面粗糙,强度较低,但具有一定致密性与强度,说明使用该技术成形Al_2O_3具有一定的可行性,需要继续深入研究,采用模拟分析的方法研究Al_2O_3粉末的熔化过程,有利于优化成形参数,提高样品性能。(2)半径为1-2.2 nm的Al_2O_3颗粒,其熔点随半径的增加而升高,且均低于体相熔点。通过对熔点曲线进行合理拟合及外推,可得熔点与纳米Al_2O_3颗粒半径的关系如下:y=2269.53301-783.2726/(1+(x.141347).~(851432)),x≤2.4 y=2310.33636-871.86612(1+(x.140728).~(690193)),x≥2.4(3)1.4 nm Al_2O_3颗粒的熔点随着升温速率的增大而提高,且均高于其平衡熔点,存在过热现象;表面缺陷比例越大,1.4 nm Al_2O_3颗粒的熔点就越低,均小于完美晶体的熔点;1.4 nm Al_2O_3颗粒的熔点随掺杂量的增加而逐渐降低。(4)1.4 nm纯Al_2O_3颗粒及分别含5%表面缺陷、含5%Zr、含5%Si或含5%Zr+5%Si的1.4 nm Al_2O_3颗粒,熔融过程均可分为4个阶段:热膨胀阶段、表面活化阶段、预熔化阶段与熔化阶段。上述颗粒的预熔温度:含Si+Zr时最小(1420 K),含表面缺陷时居中(1430 K),含Zr时(1450 K)次之,最后是含Si时(1470 K),均低于纯Al_2O_3颗粒(1500 K)。含缺陷或掺杂的Al_2O_3颗粒预熔温度均低于纯Al_2O_3颗粒的预熔温度,主要原因是表面缺陷使Al_2O_3颗粒比表面积增加,表面活性原子增多,表面不稳定;掺杂使颗粒发生不等价置换,产生空位与晶格畸变,稳定性降低。在进行3D打印时温度必须超过预熔化温度,这对获得强度及致密度至关重要。(5)通过对比分析常规计算方法与5 K/ps升温速率下Al_2O_3颗粒升温至1500 K时O原子的RDF曲线,可知过快的升温速率会使得晶体内部结构发生变化,原子混乱度增大,晶体的无序度增加。(6)通过分析纯Al_2O_3纳米颗粒、只含Zr、只含Si以及含Si+Zr掺杂的Al_2O_3颗粒在300 K时的Al、O原子的MSD,可知杂质元素的加入,能够有效促进Al_2O_3纳米颗粒的原子迁移与扩散,从而促进熔化,杂质元素对O原子的影响较对Al原子更显著。(7)通过分析300 K及熔点温度下的O原子RDF可知,纯1.4 nm Al_2O_3颗粒、含5%Zr的颗粒、含5%Si的颗粒、含5%Si+5%Zr的颗粒熔化过程中分别在距离任意选定的中心原子2.55?等处、4.65?等处、4.55?等处、4.65?等处易发生断键。与纯1.4 nm颗粒相比,含有杂质的纳米Al_2O_3颗粒易断键位置距中心原子较远。这些位置可以为3D打印设备选择合适的激光波长或电子束种类提供一些指导。
【图文】：

1实验用氧化铝粉末

氧化铝材料EBSM成形技术及熔化机理模拟研究

2清华自主研发EBSM实物图与技术示意图
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ133.1

【参考文献】