激光熔化沉积TiC/AlSi10Mg铝合金的组织与力学性能研究
发布时间：2021-09-17 12:26
近几年内,航空航天、汽车、微电子等领域对轻质高力学性能材料日益增长的需求为铝合金的激光增材制造技术研究提供了巨大的推动力。利用激光增材制造技术制造铝合金零部件可以缩短生产周期、提高原料利用率、降低材料成本,因而受到广泛关注。铝合金的高激光反射率、低流动性等因素使沉积后合金存在许多缺陷,影响沉积层的力学性能。本课题从优化了粉体与激光熔化沉积工艺参数,通过添加高吸光率TiC硬质陶瓷颗粒对AlSi10Mg粉体进行改良,对比不同混粉工艺对沉积层组织结构的影响。实验中研究了激光功率、送粉速率、扫描间距对沉积层组织性能的影响,分析了沉积层的金相组织特征与TiC颗粒增强机制。实验中通过球磨法将TiC颗粒分散在AlSi10Mg粉体中,通过SEM与粒径分布测试发现随着球磨时间增加,TiC颗粒分散均匀程度增加,铝合金粉体颗粒球形度降低,在2 h的球磨时间下可以实现TiC颗粒均匀分散并保持较高的球形度。EDX测试表明过高的TiC质量分数会导致TiC颗粒发生大面积团聚,加入TiC的质量分数超过4%时团聚程度更明显。XRD测试表明纳米TiC颗粒的晶粒细化效果比微米级TiC颗粒更显著。通过对比不同混粉工艺制备的粉...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光增材制造的原理图a)SLMb)LMD[8]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3SLM工艺开展的。LMD所用铝合金的颗粒度、球形度、流动性、氧含量等会直接影响加工性能，因此制备性能优良的铝合金粉末、研究制粉工艺等是解决问题的关键。熔化沉积工艺的装置主要包括高能激光光源，同轴送粉系统、气路光路保系统、水冷系统、熔覆操作平台等，装置示意图如图1-2所示。激光光源发出的光速沿着Z轴入射，在透镜的作用下聚焦在工作台的沉积平面上。激光的聚焦位置与粉末的流动路径可以由透镜和熔覆头在Z轴方向上的位置来调整。高能激光束的能量使基体和粉末同时熔化形成熔池，合金粉末在上方沉积，熔池与基体之间快速的热传导使熔池温度极速下降冷却凝固形成沉积层[9]。计算机系统可以绘制待加工零件的三维模型，利用CAD软件可以对模型进行二位离散切片，熔覆头根据二位切片信息在操作台X-Y平面移动，从而形成单层沉积层，最终依靠每一层二维平面的堆积才能形成三维零件[4]。在LMD工艺流程中，熔池随着激光束的移动而同步移动，因此要保证在高能激光束移动的过程中，粉体能够均匀、连续、准确的送达熔池中，并形成理想的沉积层。LMD技术获得的零件形貌性能与熔池的尺寸、稳定性、流动性、热影响区等因素相关。图1-2大族激光自主研发LMD装置示意图
，耐热耐腐蚀性能好[12]，是航空航天领域中的关键材料，但其加工铸造难度大、工艺复杂，使钛合金使用成本高昂。钛合金的激光熔化沉积可以大幅缩减制造周期与加工成本，具有极高的应用与经济价值，因而在上世纪末飞速发展。AeroMet公司在美国的多方支持下成立了专门的工作小组进行钛合金激光熔化沉积的研究[13]，利用30kW的激光器成功沉积出了可以投入实际使用的全尺寸飞机机翼承力结构部件。美国Sandia研究所与德国Fraunhofer实验室利用高功率激光器成功沉积出了卫星与发动机的结构性零部件，平均缩短90%的加工周期[14]。图1-31997年Sandis实验室利用激光熔化制备的钛合金试样照片[6]但是由于激光熔化沉积钛合金中热应力、缺陷等原因导致无法在航空航天设备的关键承力构件上应用，直到2015年王华明团队突破了激光熔化沉积钛合金的关键技术，制造出能够装机应用的关键承力部件[15]。国内LMD领域的研究起步较晚，2013年HuaixueL等人采用LMD技术制备了TC11钛合金，并研究了沉积层金相组织结构及非均匀形核特点[16]。2018年ZhuYY等人研究了热处理对TC17钛合金的影响，金相组织的转变使其能够达到TC17钛合金锻件航空标准规定的力
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光熔化沉积工艺对Nb-16Si二元合金显微组织的影响[J]. 刘伟,熊华平,李能,陈波. 材料工程. 2018(02)
[2]实验室用行星式球磨机运行机理的探讨[J]. 田文海. 企业技术开发. 2017(06)
[3]Fe-C合金焊接熔池凝固过程CET转变的数值模拟[J]. 张敏,徐蔼彦,汪强,李露露. 焊接学报. 2016(02)
[4]颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能[J]. 薛阳,宋旼,肖代红. 自然杂志. 2015(01)
[5]高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J]. 王华明. 航空学报. 2014(10)
[6]激光熔化沉积DZ408镍基高温合金的组织研究[J]. 姜华,汤海波,王华明. 稀有金属与硬质合金. 2014(01)
[7]熔粉式激光直接沉积成形TC11钛合金工艺性研究（英文）[J]. 黄柏颖,李怀学,张元彬,巩水利. 稀有金属材料与工程. 2013(S2)
[8]航空用钛合金结构件激光成形技术研究进展[J]. 柏林,赵志国,龚海波,李黎,李怀学. 航空制造技术. 2013(11)
[9]国外金属零部件增材制造技术发展概述[J]. 黄秋实,李良琦,高彬彬. 国防制造技术. 2012(05)
[10]金属零件激光增材制造技术的发展及应用[J]. 李怀学,巩水利,孙帆,黄柏颖. 航空制造技术. 2012(20)
本文编号：3398722
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
激光增材制造的原理图a)SLMb)LMD[8]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文3SLM工艺开展的。LMD所用铝合金的颗粒度、球形度、流动性、氧含量等会直接影响加工性能，因此制备性能优良的铝合金粉末、研究制粉工艺等是解决问题的关键。熔化沉积工艺的装置主要包括高能激光光源，同轴送粉系统、气路光路保系统、水冷系统、熔覆操作平台等，装置示意图如图1-2所示。激光光源发出的光速沿着Z轴入射，在透镜的作用下聚焦在工作台的沉积平面上。激光的聚焦位置与粉末的流动路径可以由透镜和熔覆头在Z轴方向上的位置来调整。高能激光束的能量使基体和粉末同时熔化形成熔池，合金粉末在上方沉积，熔池与基体之间快速的热传导使熔池温度极速下降冷却凝固形成沉积层[9]。计算机系统可以绘制待加工零件的三维模型，利用CAD软件可以对模型进行二位离散切片，熔覆头根据二位切片信息在操作台X-Y平面移动，从而形成单层沉积层，最终依靠每一层二维平面的堆积才能形成三维零件[4]。在LMD工艺流程中，熔池随着激光束的移动而同步移动，因此要保证在高能激光束移动的过程中，粉体能够均匀、连续、准确的送达熔池中，并形成理想的沉积层。LMD技术获得的零件形貌性能与熔池的尺寸、稳定性、流动性、热影响区等因素相关。图1-2大族激光自主研发LMD装置示意图
，耐热耐腐蚀性能好[12]，是航空航天领域中的关键材料，但其加工铸造难度大、工艺复杂，使钛合金使用成本高昂。钛合金的激光熔化沉积可以大幅缩减制造周期与加工成本，具有极高的应用与经济价值，因而在上世纪末飞速发展。AeroMet公司在美国的多方支持下成立了专门的工作小组进行钛合金激光熔化沉积的研究[13]，利用30kW的激光器成功沉积出了可以投入实际使用的全尺寸飞机机翼承力结构部件。美国Sandia研究所与德国Fraunhofer实验室利用高功率激光器成功沉积出了卫星与发动机的结构性零部件，平均缩短90%的加工周期[14]。图1-31997年Sandis实验室利用激光熔化制备的钛合金试样照片[6]但是由于激光熔化沉积钛合金中热应力、缺陷等原因导致无法在航空航天设备的关键承力构件上应用，直到2015年王华明团队突破了激光熔化沉积钛合金的关键技术，制造出能够装机应用的关键承力部件[15]。国内LMD领域的研究起步较晚，2013年HuaixueL等人采用LMD技术制备了TC11钛合金，并研究了沉积层金相组织结构及非均匀形核特点[16]。2018年ZhuYY等人研究了热处理对TC17钛合金的影响，金相组织的转变使其能够达到TC17钛合金锻件航空标准规定的力
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光熔化沉积工艺对Nb-16Si二元合金显微组织的影响[J]. 刘伟,熊华平,李能,陈波. 材料工程. 2018(02)
[2]实验室用行星式球磨机运行机理的探讨[J]. 田文海. 企业技术开发. 2017(06)
[3]Fe-C合金焊接熔池凝固过程CET转变的数值模拟[J]. 张敏,徐蔼彦,汪强,李露露. 焊接学报. 2016(02)
[4]颗粒增强铝基复合材料的制备及力学性能[J]. 薛阳,宋旼,肖代红. 自然杂志. 2015(01)
[5]高性能大型金属构件激光增材制造:若干材料基础问题[J]. 王华明. 航空学报. 2014(10)
[6]激光熔化沉积DZ408镍基高温合金的组织研究[J]. 姜华,汤海波,王华明. 稀有金属与硬质合金. 2014(01)
[7]熔粉式激光直接沉积成形TC11钛合金工艺性研究（英文）[J]. 黄柏颖,李怀学,张元彬,巩水利. 稀有金属材料与工程. 2013(S2)
[8]航空用钛合金结构件激光成形技术研究进展[J]. 柏林,赵志国,龚海波,李黎,李怀学. 航空制造技术. 2013(11)
[9]国外金属零部件增材制造技术发展概述[J]. 黄秋实,李良琦,高彬彬. 国防制造技术. 2012(05)
[10]金属零件激光增材制造技术的发展及应用[J]. 李怀学,巩水利,孙帆,黄柏颖. 航空制造技术. 2012(20)
本文编号：3398722
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