选择性激光熔化制备纯钨材料的成形机理研究

发布时间：2020-10-27 07:07

　　 选择性激光熔化作为一种可精细制备复杂结构的金属增材制造技术已得到广泛重视和大量研究。现阶段由于应用材料少,对相关材料的成形机理认识不足,制约了该技术的广泛应用。本文主要以纯钨为研究对象,针对选择性激光熔化过程的成形机理开展研究。研究了纯钨粉末特性对选择性激光熔化铺粉及熔化成形过程的影响规律,认为铺粉过程主要受粉末流动性和铺粉层厚影响,粉末的高流动性有利于铺粉过程进行,且随层厚增加,铺粉变得连续;铺粉密度(松装密度)影响粉末床层的导热系数,进而影响受激光熔化金属液的高温停留时间,最终对成形样品产生影响。为实现纯钨薄壁件壁厚及表面质量的控制,对纯钨选择性激光熔化过程中的微熔池特性及薄壁件成形机理进行了研究。确定了制备纯钨薄壁件的激光参数范围,分析了纯钨薄壁件的壁厚与激光参数的关系,建立了相应的经验公式,并对相应激光参数下制备样品的表面状态和缺陷进行了分析。研究发现纯钨薄壁件的壁厚随激光功率的增加线性增加,随激光扫描速度的升高呈指数降低;较高的激光功率会导致薄壁交叉的部位出现裂纹;提高激光输入能量密度或激光重熔可以降低样品表面的粗糙度;合理的工艺参数可以避免出现较大的“钨黏附体”;采用熔池凝固收缩原理阐述了激光重熔对壁厚的影响机理。对纯钨块体材料的成形机理进行了研究。研究发现随输入激光能量密度的增加,样品表面变得光滑,内部孔隙减少,密度增加,采用300 W、200 mm/s的激光扫描参数制备出了相对密度为97%的纯钨块状样品;样品内部晶粒随激光输入能量密度的增加方向性变得明显,且晶粒尺寸不断增大;优化激光扫描策略也可减少缺陷产生。对选择性激光熔化TC11和7075合金的成形性能进行了扩展研究,对比分析了纯钨、TC11和7075合金在选择性激光熔化过程中的成形机理及裂纹产生机理。研究发现TC11合金成形过程的主要缺陷为孔隙,且因工艺参数的不同孔隙的形状及产生机理有明显差异;7075合金成形过程的主要缺陷为裂纹,激光工艺参数对裂纹形态及最终样品性能有显著影响;从结晶温度区间,晶粒尺寸、成分、冷却速度和制备过程的拘束度等方面对纯钨、7075合金的裂纹产生机理及TC11合金较好的成形性能进行了分析和阐述。
【学位单位】：钢铁研究总院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG146.411;TG665
【部分图文】：

材制造（Additive Manufacturing，AM）技术也称为 3D 打印，该技助设计、材料加工与成形技术相结合，以数字模型文件为基础，通控制系统将金属材料、非金属材料以及生物医用材料，按照喷射烧结、熔化、层压、光固化等方式逐层堆积，最终制造出实体物品种技术与于传统的减材制造（机加工等）和等材制造（铸造等），是一种“自下而上”通过材料的不断累加制造零件的方法[6]。该去受传统制造方式约束，而无法获得的复杂零件变为可能[7]。材制造技术的分类材制造技术有多种分类方式，标准 ISO/ASTM 52900-2015 中将增为七类[8]，分别为粘接剂喷射成形（Binder jetting）、直接能量沉t energy deposition）、材料挤出成形（Material extrusion）、材料喷rial jetting）、粉末床熔化成形（Powder bed fusion）、层压成形ion）、光聚合成形（Vat photopolymerization），图 1-1 为增材制造技理示意图。

1-2 金属增材制造技术在生物医疗个性化定制方面的应医疗领域，近些年来，在工业和消费领域个性化的定增材制造由于可以制备各种复杂形状，迅速地将各要加工模具等特点使得该技术在个性化定制领域越制备的个性化定制产品也不断涌现。修复受损零件

因此降低了成本，且由于金属增材制造修复过程速度较快，相对于重新加工制备该零件来说节省了时间。图1-3 为航空发动机整体叶盘的金属增材制造修复过程示意图。金属增材制造技术不仅限于航空航天领域零部件的修复，近些年来机械制造、能源开采、船舶重工等领域的一些大型部件在损坏后也开始采用金属增材制造技术进行快速修复。例如，2014 年西门子公司采用金属增材制造技术修复燃气轮机的部分金属零件，采用该技术可以大幅缩短相应零部件的修理时间，使得燃气轮机的修理时间从 44 周缩减为 4 周。
【参考文献】

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本文编号：2858229