激光3D打印制备模具材料CrMoTi中熵合金
发布时间：2021-02-26 22:20
多主元合金作为一种新兴的合金材料,因其具有高强度、高硬度、良好的高温稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性等独特的优异性能,近年来得到快速发展,已然成为金属材料领域新兴的研究热点。目前,多主元高熵合金材料及其增材制造技术的研究处在发展初期。根据现有研究表明,部分三元或四元的多主元合金的性能与五元的多主元合金性能相当,甚至优于五元的多主元高熵合金。此外,目前对多主元合金的加工工艺多以传统的真空电弧熔炼技术为主,但是该制备技术存在成形形状简单、成形尺寸有限、容易发生成分偏析、缩孔缺陷等不足,从而限制了其在多主元合金复杂成形构件的制备方面的应用。因此,尝试采用增材制造技术制备性能优异的多主元合金具有较大的科研意义。本课题在完成对CrMoTiAlx（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4）合金体系的理论计算的基础上,采用传统的真空电弧熔炼技术对CrMoTiAlx（x=0,0.1,0.2,0.3,0.4）合金体系进行制备,分别采用激光3D打印技术中的金属熔融沉积以及激光选区熔化对经过机械混合元素粉体方法的CrMoTi三元中熵合金进行打印参数的优化。针对CrMoTi...
【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】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型DLD激光3D打印的原理图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-打印机器中，粉槽中的粉体（打印1）或料斗中的粉体（打印2）由刮刀在打印基板上铺成均匀的一层。在惰性保护气体氛围下，激光束根据导入信息在粉床上选择性熔化金属粉体，得到零部件的单层固体层。打印平台下移，刮刀在已经熔化的打印层上继续铺粉，重复上述打印操作。层层之间熔化并冶金结合，最终得到成型金属零部件[11,12]。图1-2典型SLM激光3D打印的原理图在SLM中，优化工艺参数，如激光功率、扫描速率、扫描间距和层厚（Layerthickness，t）是保证近乎致密零部件的关键，图1-3提供了这些工艺参数的具体定义[11]。综合这些工艺参数可以得到体能量密度（Volumeenergydensity,E）表达式，见式1-1[5]：=(1-1)式中：——体能量密度（J/mm3）；——激光功率（W）；——扫描速率（mm/s）；——扫描间距（mm）；——层厚（mm）。激光功率较低、扫描速率较高、打印层厚较大组合导致输入能量不足容易引起球化（Balling）现象；然而过高的激光功率和较低的扫描速率可能会导致打印材料的蒸发，从而形成匙孔（Keyhole）效应；调整适当的扫描间距可以避免相邻两条熔道不完全熔化连接以及孔隙（Porosity）的问题。除了激光工艺参数，吸收率（粉体对能量的吸收）、粉体粒径、粉体形貌等也对成型零部件的致密度和性能有影响[11]。因此，研究不同材料的工艺参数组合对于SLM结构件致密是至关重要的，也是保证良好的机械性能的前提。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-图1-3SLM工艺参数[11]对比金属熔融沉积技术与激光选区熔化技术，两者各有优势。其中，金属熔融沉积技术因为较大的光斑尺寸、较快的扫描速率、范围较广的激光功率等特点而能够更快地构建尺寸更大的零部件，且能制备具有高熔点元素的合金，如难熔高熵合金；然而由于没有气体保护仓以及基板加热的功能，成型原材料的种类受到限制且成型质量相对于激光选区熔化技术的成型质量较差，表面粗糙度更高。激光选区熔化技术成型精度高、密度高、表面质量好，然而由于激光功率较低，对于难熔金属原材料有一定的限制，且因为需要填充粉床，而需要较多的原材料才能进行打樱1.1.2多主元合金材料的发展及其特性多主元合金（Multi-principalelementalloys,MPEAs）的概念由Cantor教授于2004年首次正式发表[13]。同一年，中国台湾学者叶均蔚教授提出了高熵合金（High-entropyalloys,HEAs）的概念[14]。因多主元合金的研究方向与高熵合金的研究方向一致，故多主元合金也被称为高熵合金，然而两者之间的区别在于多主元合金并不完全是高构型熵（Configurationalentropy）合金。传统的合金设计策略通常是基于一种主要元素，并添加其他次要元素，从而进一步优化合金性能。高熵合金的设计概念则与传统的截然不同，其添加的所有元素均为溶质，亦或溶剂。经过十几年的发展，高熵合金的定义始终是一个无法统一的问题：最早叶均蔚教授对高熵合金的定义是从合金成分组成上出发的，具体是合金体系含有五种及以上的主要元素，且每种主要元素的原子分数占比在5-35%之间
本文编号：3053256
【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】：78 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
典型DLD激光3D打印的原理图
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-4-打印机器中，粉槽中的粉体（打印1）或料斗中的粉体（打印2）由刮刀在打印基板上铺成均匀的一层。在惰性保护气体氛围下，激光束根据导入信息在粉床上选择性熔化金属粉体，得到零部件的单层固体层。打印平台下移，刮刀在已经熔化的打印层上继续铺粉，重复上述打印操作。层层之间熔化并冶金结合，最终得到成型金属零部件[11,12]。图1-2典型SLM激光3D打印的原理图在SLM中，优化工艺参数，如激光功率、扫描速率、扫描间距和层厚（Layerthickness，t）是保证近乎致密零部件的关键，图1-3提供了这些工艺参数的具体定义[11]。综合这些工艺参数可以得到体能量密度（Volumeenergydensity,E）表达式，见式1-1[5]：=(1-1)式中：——体能量密度（J/mm3）；——激光功率（W）；——扫描速率（mm/s）；——扫描间距（mm）；——层厚（mm）。激光功率较低、扫描速率较高、打印层厚较大组合导致输入能量不足容易引起球化（Balling）现象；然而过高的激光功率和较低的扫描速率可能会导致打印材料的蒸发，从而形成匙孔（Keyhole）效应；调整适当的扫描间距可以避免相邻两条熔道不完全熔化连接以及孔隙（Porosity）的问题。除了激光工艺参数，吸收率（粉体对能量的吸收）、粉体粒径、粉体形貌等也对成型零部件的致密度和性能有影响[11]。因此，研究不同材料的工艺参数组合对于SLM结构件致密是至关重要的，也是保证良好的机械性能的前提。
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文-5-图1-3SLM工艺参数[11]对比金属熔融沉积技术与激光选区熔化技术，两者各有优势。其中，金属熔融沉积技术因为较大的光斑尺寸、较快的扫描速率、范围较广的激光功率等特点而能够更快地构建尺寸更大的零部件，且能制备具有高熔点元素的合金，如难熔高熵合金；然而由于没有气体保护仓以及基板加热的功能，成型原材料的种类受到限制且成型质量相对于激光选区熔化技术的成型质量较差，表面粗糙度更高。激光选区熔化技术成型精度高、密度高、表面质量好，然而由于激光功率较低，对于难熔金属原材料有一定的限制，且因为需要填充粉床，而需要较多的原材料才能进行打樱1.1.2多主元合金材料的发展及其特性多主元合金（Multi-principalelementalloys,MPEAs）的概念由Cantor教授于2004年首次正式发表[13]。同一年，中国台湾学者叶均蔚教授提出了高熵合金（High-entropyalloys,HEAs）的概念[14]。因多主元合金的研究方向与高熵合金的研究方向一致，故多主元合金也被称为高熵合金，然而两者之间的区别在于多主元合金并不完全是高构型熵（Configurationalentropy）合金。传统的合金设计策略通常是基于一种主要元素，并添加其他次要元素，从而进一步优化合金性能。高熵合金的设计概念则与传统的截然不同，其添加的所有元素均为溶质，亦或溶剂。经过十几年的发展，高熵合金的定义始终是一个无法统一的问题：最早叶均蔚教授对高熵合金的定义是从合金成分组成上出发的，具体是合金体系含有五种及以上的主要元素，且每种主要元素的原子分数占比在5-35%之间
本文编号：3053256
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