金属直接微熔铸增材制造技术的研究

发布时间：2020-08-12 15:41

【摘要】：复杂结构的高强金属合金零件在航空、航天及军工等领域有广泛的应用,采用金属增材制造技术直接成形结构复杂的金属零件是国内外研究的热点。金属增材制造是以激光、电子束等高能热源熔化金属粉末或丝材,通过逐点、逐层堆积制备金属零件,制造流程短、无模制造。但是,金属增材制造离不开金属粉末或丝材的制备,这本身是一个比较复杂的过程,并且粉或丝的性能直接或间接地影响了最终产品的性能。本研究开发了一种全新的增材制造技术-金属直接微熔铸无模成形技术(简称微熔铸技术),该技术有望以金属熔体直接成形复杂结构的高强金属合金零件。依据微熔铸原理搭建了 Sn-Pb合金成形设备,探索了Sn-Pb合金样件的成形条件,研究了微熔铸工艺的成形性能。在此基础上搭建了铝合金ZL101微熔铸成形设备,研究工艺条件对铝合金ZL101样件的成形性和组织性能的影响规律;分析了样品的显微组织结构特点并评价其力学性能。研究内容主要包括:(1)根据微熔铸原理和Sn-Pb合金材料的特性设计并搭建了微熔铸成形设备,解决半固态熔体的制备和微熔铸成形性。设备不仅能够制备单层单道样件、多层单道样件,还制备了形状复杂的双曲线型火箭喷嘴模型样件;构建了熔体温度-喷嘴运动速度-成形样件区域,获得了金属样件的成形规律。所制备的5层和10层Sn-Pb合金样件显微组织均匀,层间形成了良好的结合;5层、10层Sn-Pb合金样件截面的显微硬度分别为11.21 ±0.65 HV、11.36土0.83HV,高于Sn-Pb合金铸态原料的显微硬度(9.76HV)。(2)为了将微熔铸技术推广到高熔点合金,对搭建的设备进行升级改造,以石墨坩埚为内胆、采用强制搅拌、使用6°微倾斜高强石墨活塞式旋转开关,解决了铝合金熔体的流动控制问题。升级改造后的设备能够满足铝合金ZL101的微熔铸成形要求。研究了铝合金ZL101半固态熔体的形核和长大机理、制备工艺对ZL101熔体显微组织的影响规律。结果表明,当喷嘴水口温度为595℃、搅拌速度为800r/min、筒体温度为620℃时,制备出了α-Al晶粒细小、分布均匀、球形度高的ZL101半固态熔体,α-Al晶粒平均尺寸为51μm,形状因子为0.70,在基体中分布均匀。(3)基板运动速度和基板到喷嘴水口的高度对铝合金ZL101样件的性能有显著的影响。基板速度越快,基板到喷嘴水口的高度越低,样件的力学性能越好。在筒体温度为620℃、喷嘴温度为595℃、搅拌速度为800r/min、喷嘴直径为3mm、基板运动速度为20mm/s、基板到喷嘴水口的高度为2mm的条件下,制备出了拉伸强度为240.82MPa、显微硬度为83.57HV的单层单道金属样件;其拉伸强度是铸态原料的145%,显微硬度是铸态原料的128%。(4)采用电子背散射衍射技术(EBSD)对样件的晶粒取向和尺寸受基板运动速度的影响规律进行了研究。结果发现,基板运动速度越快,晶粒择优取向分布越明显,晶粒平均尺寸越小。当基板运动速度为1Omm/s、20mm/s、30mm/s时,所对应样品的平均晶粒尺寸分别为73μm、59μm、46μm。(5)采用FLUENT软件对微熔铸铝合金ZL101样件基体与金属熔体层间处的熔化条件进行了模拟,结果表明,当熔体温度在600-610℃温度范围内、基板运行速度在5-20mm/s范围内时,金属熔体所提供的热量能够熔化前一层样品表面,并且形成良好的层间结合(熔化层的深度为22-155μm)。依据模拟结果,制备出了多层单道铝合金ZL101薄板样件,其拉伸强度达到了208.35MPa。微熔铸层间结合机理研究表明,微熔铸层间结合首先是前一层金属表面受热发生熔化,然后金属原子在层间处扩散,凝固后形成层间冶金结合。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG24
【图文】：

激光烧结粉末,球化

由于激光加热烧结区使金属粉末熔化，在表面张力作用下容易导致所谓的“球逡逑化”现象，分析认为，这是由于在表面张力的作用下液态金属凝固收缩为球状，逡逑如图２－１所示。“球化”会在制件中形成大量的孔隙，从而降低成形件的密度和逡逑力学性能。研究发现，对熔点不同的金属混合粉末进行合理配比，并采用优逡逑化的工艺参数，可以有效地控制烧结质量［２５］。间接ＳＬＳ工艺的成形材料为金逡逑属粉末与热塑性有机粘接剂混合形成的混合粉体，金属粉末通过熔化的有机逡逑粘接剂实现粘接，但是烧结过程中金属粉末颗粒间的孔隙无法消除，制件的逡逑强度、硬度等性能指标较常规工艺制件较低，通常需要辅以脱脂、高温重熔逡逑或渗金属填补间隙等后处理工序才能达到改善显微组织提高制件力学性能的逡逑目的［２６，２７］。间接ＳＬＳ工艺比较成熟，烧结速度快，但需要后处理工序，所以逡逑工艺周期长，在后处理时受到热应力的二次作用容易造成零部件收缩变形，逡逑尺寸和形状精度会降低［２５］。从长远来看

骨科手术,植入体,成形器,导板

近乎致密金属零件，因此，该技术能用于成形各类结构复杂并具有良好生物逡逑相容性的医学植入体，如个性化股骨植入体、个性化骨科手术导板等［４２］，如逡逑图２－２所示。ＳＬＭ成形用原材料主要是金属和金属合金粉末，材料应用时，需逡逑要定制金属粉末或者加入微量元素以改善粉末的成形性能，对材料的要求较逡逑尚。逡逑悘逡逑图２－２邋ＳＬＭ成形器件：（ａ）股骨植入体，（ｂ）骨科手术导板１４２１逡逑（３）激光近净成形（Ｌａｓｅｒ邋Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ邋Ｎｅｔ邋Ｓｈａｐｉｎｇ，邋ＬＥＮＳ）是美国Ｓａｎｄｉａ逡逑国家实验室开发的一种先进的金属零件直接制造技术，该技术是ＳＬＳ和同步逡逑送粉激光熔覆技术的结合。ＬＥＮＳ采用高能束激光形成局部熔化的熔池并快速逡逑移动激光源，同时将金属粉末或丝材同步送入熔池，冷却后形成冶金结合的逡逑熔覆截面，这样逐层熔覆便可以制备高致密度的金属零件［４３］，工艺原理见图逡逑２－３所示。逡逑美国Ｓａｎｄｉａ国家实验室对不同金属材料的ＬＥＮＳ成形技术进行了研究，制逡逑备了镍基超合金、Ｈ１３工具钢、不锈钢及钛合金等金属零件。ＬＥＮＳ成形零件逡逑相对锻造件在强度和塑性方面均有明显提高

示意图,技术原理,示意图

逐渐改变粉末成分，还可以实现功能梯度零件的直接制造。美国Ｌｏｓ邋Ａｌａ家实验室也应用ＬＥＮＳ技术研究了多种金属材料的直接成形，该研究的围涵盖Ｐ２０工具钢、３１６不锈钢、４００不锈钢、Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ金属化合物，的金属件的力学性能与锻件相当。图２－４邋（ａ）为ＬＥＮＳ技术成形的Ｃ－１７的钛合金外挂腔壁，ＬＥＮＳ还可用来制造具有冷却通道的金属模具，见（ｂ）所示。国内，王华明等［４４４６］采用ＬＥＮＳ技术制备了飞机钛合金大型结构零件，并提出了用“热应力离散控制”方法解决制件成形过程中的“裂”和“内部质量”等技术难题，研究取得了重要进展。此外，国内外学别对ＬＥＮＳ工艺成形ＴｉＣ／Ｔｉ功能梯度材料［４７］、显微组织及力学性能、热为［４８］及凝固行为［４９］等方面进行了研究。逡逑ＬＥＮＳ技术能够制造组织致密、力学性能高的金属零件，零件的性能到甚至超过锻件，并且在非均质、功能梯度金属零件成形方面具有明，有广阔的发展前景，但是ＬＥＮＳ设备造价昂贵，能耗太高。逡逑

【参考文献】