铝合金选择性激光熔化成形工艺控制与组织性能研究
发布时间：2021-11-17 11:36
选择性激光熔化（Selective Laser Melting,SLM）是基于“离散+堆积”原理,利用高能激光束作为热源熔化金属粉末,通过逐层叠加的方式直接成形出空间构型复杂、性能优异的结构件。现阶段,对随形冷却结构、节温器盖等复杂构件的制备,轻质AlSi10Mg合金因其较好的铸造性能、优良的导热导电性能而被广泛研究。然而,铝具有高的自由电子密度,对激光入射能量的吸收率仅为9%,热导率高达237 W/（m·K）,在SLM成形过程中热积累少,导致熔化不完全、层间结合差等问题。同时,铝对氧的敏感性高,易产生球化、孔洞、氧化夹杂等冶金缺陷,恶化成形质量,限制工业应用。为解决因能量吸收不足而产生的球化、孔洞等问题,论文采用有限元技术模拟了单条熔道温度场分布,阐述了微熔池的形成机理及特征变化规律,优化了成形工艺参数,讨论了典型形状构件的成形性和设计原则;分析了SLM成形AlSi10Mg合金中缺陷的来源,采用不同的重熔扫描策略降低了孔洞、球化等缺陷,研究了缺陷降低的机理;讨论了SLM成形AlSi10Mg合金熔池的熔化凝固行为、组织特征及力学性能,取得以下主要成果。采用有限元数值模拟方法对SLM成形...
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于机器人的WAAM系统示意图[4]
昆明理工大学博士学位论文4选择性轰击金属粉末，使粉末获得能量后熔化、凝固；当完成一个层面的扫描后，工作箱下降一个层厚的距离，如此反复堆积[15]，成形出所需要的零件（如图1.2所示）。该工艺在成形过程中不消耗保护气体，真空环境中使成形件没有其它杂质，特别适合钛合金等高活性金属零件的制造，已应用在航空航天、医疗器械等领域[16]。Murr等[14]讨论了EBM成形Ti6Al4V的研究现状，并阐述EBM制备生物医学领域研究中开孔式胞状多孔结构的应用。Gaytan等[17]采用EBM技术制备Ti-6Al-4V三维复杂单元多孔结构，研究粉末的循环使用对组织和力学性能的影响，并提出控制缺陷和孔隙率的方法。Chastand等[18]和Vayssette等[19]分布采用EBM技术制备Ti6Al4V棒型试样以研究疲劳性能的变化。Parthasarathy等[20]使用EBM技术制备不同孔隙率的TC4多孔结构，探究不同柱壁厚度对于压缩强度的影响。Biamino等[21]选用EBM制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金件，获得近乎无杂质、微小气孔及组织均匀的结构。图1.2电子束熔化设备示意图Fig.1.2SchematicofEBMapparatus当高速电子束冲击金属粉末时，由于电子动能较大，预置的松散粉末易被激起吹离原来的位置，影响成形质量。电子束熔丝沉积技术将丝材代替粉末，其送丝方式和堆积成形过程与WAAM相似，避免粉末被吹散，成形速度快，材料利用率和能量转化效率高。目前，美国NASA兰利研发中心采用电子束熔丝成形钛合金的尺寸为5.8m×1.2m×1.2m，我国可成形钛合金主承力结构件的尺寸为2.1m×0.45m×0.3m。
拦?苄??笱В?23]，或激光快速成形（LaserRapidForming,LRF，中国西北工业大学黄卫东）[24]、或直接激光成型（DirectedLaserFabrication,DLF，英国伯明翰大学）[25]。美国材料与试验协会（ASTM）标准中将该技术统一规范为金属直接沉积制造（DirectedEnergyDeposition,DED）技术的一部分。LENS技术主要用于制造或修复航空发动机和重型燃气轮机的叶轮叶片以及轻量化的汽车零部件等，实现对磨损或破损的叶片进行修复和再制造的过程，从而大大降低叶片的制造成本，提高生产效率。LENS技术是以流动的粉末为原材料，其示意图如图1.3（a）所示，高能量激光束汇聚在基板上生成熔池，惰性气流保护金属粉末从送粉通道中被同步送入熔池，金属粉末受到高温作用吸收能量而快速熔化并凝固，经历由点到线、由线到面的凝固顺序叠加成形[26]，最终制造出零件实体（如图1.3（b）所示）。(a)(b)图1.3激光近净成形技术（a）示意图；（b）实时加工过程Fig.1.3（a）Schematicand(b)real-timeprocessingofLENS针对不同材料的LENS工艺成形进行研究，李俊鑫[27]以316L不锈钢为原材料，探究了LENS工艺下激光束扫描路径对成形零件内部微观组织和性能的影响；苗佩等[28]在对316L不锈钢的LENS成形研究中发现，增加送粉率可以提高沉积效率，力学性能并未降低；Kwiatkowska等[29]采用LENS技术合成Fe-Al-Ti金属间化合物，获得晶粒尺寸为3-5μm的细化组织；杨键等[30]对TC21钛合金进行LENS制备，其室温拉伸性能的强度与锻件相当，塑性略低；Mallik等[31]将LENS技术与退火工艺结合，制备的Co-Cr-Mo件的硬度高于锻造水平；Krishna
【参考文献】：
期刊论文
[1]选区激光熔化铝合金基底表面形貌对轨道润湿行为的影响（英文）[J]. Jie LIU,Dong-dong GU,Hong-yu CHEN,Dong-hua DAI,Han ZHANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2018(02)
[2]选择性激光熔化技术研究现状及发展趋势[J]. 杨佳,郭洪钢,谭建波. 河北工业科技. 2017(04)
[3]沉积效率对激光近净成形316L不锈钢组织及性能的影响[J]. 苗佩,牛方勇,马广义,吕建忠,吴东江. 光电工程. 2017(04)
[4]电弧增材制造与铣削复合加工系统与工艺研究[J]. 夏然飞,樊建勋,李新宇,高亮. 制造业自动化. 2016(09)
[5]Biomedical titanium alloys and their additive manufacturing[J]. Yu-Lin Hao,Shu-Jun Li,Rui Yang. Rare Metals. 2016(09)
[6]Selective laser melting 3D printing of Ni-based superalloy:understanding thermodynamic mechanisms[J]. Mujian Xia,Dongdong Gu,Guanqun Yu,Donghua Dai,Hongyu Chen,Qimin Shi. Science Bulletin. 2016(13)
[7]Elastic Modulus and Stress Analysis of Porous Titanium Parts Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Junchao Li,Yanyan Zang,Wei Wang. Journal of Harbin Institute of Technology. 2016(02)
[8]选择性激光熔化AlSi10Mg合金粉末的成形工艺[J]. 刘锦辉,史金光,李亚. 黑龙江科技大学学报. 2015(05)
[9]Microstructure Characteristics of Inconel 625 Superalloy Manufactured by Selective Laser Melting[J]. Shuai Li,Qingsong Wei,Yusheng Shi,Zicheng Zhu,Danqing Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2015(09)
[10]激光近净成形TC21钛合金的组织与性能[J]. 杨健,陈静,张强. 金属热处理. 2015(03)
博士论文
[1]Al-Si合金的选择性激光熔化工艺参数与性能研究[D]. 王小军.中国地质大学（北京） 2014
[2]选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D]. 王迪.华南理工大学 2011
硕士论文
[1]电弧熔丝增材制造高强钢零件工艺基础研究[D]. 曹嘉明.华中科技大学 2017
[2]电弧增材制造温度场与应力场的数值模拟及成形路径策略评估[D]. 刘文洁.华中科技大学 2017
[3]激光辐照下金属样品的能量耦合特性研究[D]. 张翔宇.国防科学技术大学 2016
[4]基于CMT的铝合金电弧增材制造（3D打印）技术及工艺研究[D]. 张瑞.南京理工大学 2016
[5]激光近净成形316L不锈钢块体材料的工艺与性能研究[D]. 李俊鑫.大连理工大学 2016
[6]AlSi10Mg合金粉末的选区激光熔化成形工艺及性能研究[D]. 张文奇.华中科技大学 2015
[7]Al-Si合金的激光选区熔化成形特性及性能的研究[D]. 王梦瑶.华中科技大学 2015
[8]3D打印技术中分层与路径规划算法的研究及实现[D]. 王腾飞.河北工业大学 2015
[9]选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究[D]. 李雅莉.南京航空航天大学 2015
[10]Ni基高温合金及其复合材料选区激光熔化成形工艺、组织及性能[D]. 贾清波.南京航空航天大学 2015
本文编号：3500831
【文章来源】：昆明理工大学云南省
【文章页数】：154 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
基于机器人的WAAM系统示意图[4]
昆明理工大学博士学位论文4选择性轰击金属粉末，使粉末获得能量后熔化、凝固；当完成一个层面的扫描后，工作箱下降一个层厚的距离，如此反复堆积[15]，成形出所需要的零件（如图1.2所示）。该工艺在成形过程中不消耗保护气体，真空环境中使成形件没有其它杂质，特别适合钛合金等高活性金属零件的制造，已应用在航空航天、医疗器械等领域[16]。Murr等[14]讨论了EBM成形Ti6Al4V的研究现状，并阐述EBM制备生物医学领域研究中开孔式胞状多孔结构的应用。Gaytan等[17]采用EBM技术制备Ti-6Al-4V三维复杂单元多孔结构，研究粉末的循环使用对组织和力学性能的影响，并提出控制缺陷和孔隙率的方法。Chastand等[18]和Vayssette等[19]分布采用EBM技术制备Ti6Al4V棒型试样以研究疲劳性能的变化。Parthasarathy等[20]使用EBM技术制备不同孔隙率的TC4多孔结构，探究不同柱壁厚度对于压缩强度的影响。Biamino等[21]选用EBM制备Ti-48Al-2Cr-2Nb合金件，获得近乎无杂质、微小气孔及组织均匀的结构。图1.2电子束熔化设备示意图Fig.1.2SchematicofEBMapparatus当高速电子束冲击金属粉末时，由于电子动能较大，预置的松散粉末易被激起吹离原来的位置，影响成形质量。电子束熔丝沉积技术将丝材代替粉末，其送丝方式和堆积成形过程与WAAM相似，避免粉末被吹散，成形速度快，材料利用率和能量转化效率高。目前，美国NASA兰利研发中心采用电子束熔丝成形钛合金的尺寸为5.8m×1.2m×1.2m，我国可成形钛合金主承力结构件的尺寸为2.1m×0.45m×0.3m。
拦?苄??笱В?23]，或激光快速成形（LaserRapidForming,LRF，中国西北工业大学黄卫东）[24]、或直接激光成型（DirectedLaserFabrication,DLF，英国伯明翰大学）[25]。美国材料与试验协会（ASTM）标准中将该技术统一规范为金属直接沉积制造（DirectedEnergyDeposition,DED）技术的一部分。LENS技术主要用于制造或修复航空发动机和重型燃气轮机的叶轮叶片以及轻量化的汽车零部件等，实现对磨损或破损的叶片进行修复和再制造的过程，从而大大降低叶片的制造成本，提高生产效率。LENS技术是以流动的粉末为原材料，其示意图如图1.3（a）所示，高能量激光束汇聚在基板上生成熔池，惰性气流保护金属粉末从送粉通道中被同步送入熔池，金属粉末受到高温作用吸收能量而快速熔化并凝固，经历由点到线、由线到面的凝固顺序叠加成形[26]，最终制造出零件实体（如图1.3（b）所示）。(a)(b)图1.3激光近净成形技术（a）示意图；（b）实时加工过程Fig.1.3（a）Schematicand(b)real-timeprocessingofLENS针对不同材料的LENS工艺成形进行研究，李俊鑫[27]以316L不锈钢为原材料，探究了LENS工艺下激光束扫描路径对成形零件内部微观组织和性能的影响；苗佩等[28]在对316L不锈钢的LENS成形研究中发现，增加送粉率可以提高沉积效率，力学性能并未降低；Kwiatkowska等[29]采用LENS技术合成Fe-Al-Ti金属间化合物，获得晶粒尺寸为3-5μm的细化组织；杨键等[30]对TC21钛合金进行LENS制备，其室温拉伸性能的强度与锻件相当，塑性略低；Mallik等[31]将LENS技术与退火工艺结合，制备的Co-Cr-Mo件的硬度高于锻造水平；Krishna
【参考文献】：
期刊论文
[1]选区激光熔化铝合金基底表面形貌对轨道润湿行为的影响（英文）[J]. Jie LIU,Dong-dong GU,Hong-yu CHEN,Dong-hua DAI,Han ZHANG. Journal of Zhejiang University-Science A（Applied Physics & Engineering）. 2018(02)
[2]选择性激光熔化技术研究现状及发展趋势[J]. 杨佳,郭洪钢,谭建波. 河北工业科技. 2017(04)
[3]沉积效率对激光近净成形316L不锈钢组织及性能的影响[J]. 苗佩,牛方勇,马广义,吕建忠,吴东江. 光电工程. 2017(04)
[4]电弧增材制造与铣削复合加工系统与工艺研究[J]. 夏然飞,樊建勋,李新宇,高亮. 制造业自动化. 2016(09)
[5]Biomedical titanium alloys and their additive manufacturing[J]. Yu-Lin Hao,Shu-Jun Li,Rui Yang. Rare Metals. 2016(09)
[6]Selective laser melting 3D printing of Ni-based superalloy:understanding thermodynamic mechanisms[J]. Mujian Xia,Dongdong Gu,Guanqun Yu,Donghua Dai,Hongyu Chen,Qimin Shi. Science Bulletin. 2016(13)
[7]Elastic Modulus and Stress Analysis of Porous Titanium Parts Fabricated by Selective Laser Melting[J]. Junchao Li,Yanyan Zang,Wei Wang. Journal of Harbin Institute of Technology. 2016(02)
[8]选择性激光熔化AlSi10Mg合金粉末的成形工艺[J]. 刘锦辉,史金光,李亚. 黑龙江科技大学学报. 2015(05)
[9]Microstructure Characteristics of Inconel 625 Superalloy Manufactured by Selective Laser Melting[J]. Shuai Li,Qingsong Wei,Yusheng Shi,Zicheng Zhu,Danqing Zhang. Journal of Materials Science & Technology. 2015(09)
[10]激光近净成形TC21钛合金的组织与性能[J]. 杨健,陈静,张强. 金属热处理. 2015(03)
博士论文
[1]Al-Si合金的选择性激光熔化工艺参数与性能研究[D]. 王小军.中国地质大学（北京） 2014
[2]选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D]. 王迪.华南理工大学 2011
硕士论文
[1]电弧熔丝增材制造高强钢零件工艺基础研究[D]. 曹嘉明.华中科技大学 2017
[2]电弧增材制造温度场与应力场的数值模拟及成形路径策略评估[D]. 刘文洁.华中科技大学 2017
[3]激光辐照下金属样品的能量耦合特性研究[D]. 张翔宇.国防科学技术大学 2016
[4]基于CMT的铝合金电弧增材制造（3D打印）技术及工艺研究[D]. 张瑞.南京理工大学 2016
[5]激光近净成形316L不锈钢块体材料的工艺与性能研究[D]. 李俊鑫.大连理工大学 2016
[6]AlSi10Mg合金粉末的选区激光熔化成形工艺及性能研究[D]. 张文奇.华中科技大学 2015
[7]Al-Si合金的激光选区熔化成形特性及性能的研究[D]. 王梦瑶.华中科技大学 2015
[8]3D打印技术中分层与路径规划算法的研究及实现[D]. 王腾飞.河北工业大学 2015
[9]选区激光熔化AlSi10Mg温度场及应力场数值模拟研究[D]. 李雅莉.南京航空航天大学 2015
[10]Ni基高温合金及其复合材料选区激光熔化成形工艺、组织及性能[D]. 贾清波.南京航空航天大学 2015
本文编号：3500831
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