激光选区成形Cu-Al-Mn-Ti记忆合金的工艺及性能研究
发布时间：2021-04-02 19:04
采用激光选区熔化技术成形了Cu-11.85Al-3.2Mn-0.1Ti（质量分数）合金。采用排水法对成形块体试样进行了致密度测试,优化了工艺参数,对试样进行了物相分析和微观组织分析,利用优化的工艺参数成形了拉伸试样和变形测试试样,测试在不同温度下拉伸试样的力学性能,通过DSC曲线分析了试样的相变温度及变形试样的记忆性能。结果表明,当激光功率为270W,扫描速度为500 mm/s,层厚为0.025 mm,扫描间距为0.1 mm时,试样具有接近100%的致密度;试样的物相中主要为马氏体相和Cu2Al Mn相,微观组织中观察到了马氏体组织,并且多为层错结构;拉伸试样在200℃时具有最大抗拉强度825.6 MPa,延伸率为20.3%且延伸率随着温度的升高而增大;试样的马氏体相变开始温度约为260℃,结束温度约为249℃,奥氏体转变温度高于400℃,形变回复率在57%以上。
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样拉伸应力-应变图
月2020年8月党明珠等：激光选区成形Cu-Al-Mn-Ti记忆合金的工艺及性能研究111忆性能，还使得合金具有较好的延性[8-9]。但Cu-Al-Mn合金还存在晶粒粗大、冷加工性能差等问题，常常通过添加第四种元素来改善材料性能。如加入Ti、Cr、Co元素Ti可以细化晶粒，提高马氏体转变温度和形状记忆性能，但会降低材料的冷加工性能，加入Fe、Ni、Zn元素也可以提高合金的形状记忆性能[10]。激光选区熔化技术(Selectivelasermelting,SLM)是一种最具潜力的增材制造(Additivemanufacturing，AM)技术，通过逐层累积的方式将粉末材料逐层按零件形状进行激光熔化凝固成形。激光选区熔化技术具有成形零件性能优良，可成形复杂形状零件，制造周期短，产品多样定制化等，已广泛应用于航空航天、医疗等领域，用于制造轻量化构件、个性植入体等[11]。目前SLM技术已广泛用于钛合金、不锈钢、Co-Cr合金[12-13]等的成形，而由于Cu、Al等元素对激光的吸收率较低，SLM成形上述金属的报道较少，TIAN等[14]研究了SLM成形Cu-13.5Al-4Ni-0.5Ti合金的成形工艺和力学性能，发现试样在107J/mm3时具有最佳的拉伸性能，室温下拉伸强度为(541±26)MPa，延伸率为7.63％±0.39％，高于铸造的样品，将温度升高至200℃时，拉伸强度和延伸率都得到提升。GUSTMANN等[15-16]采用SLM技术成形了Cu-11.85Al-3.2Ni-3Mn和Cu-11.85Al-3.2Ni-3Mn-0.5Zr合金，研究中获得了高致密的样品，Zr元素的加入提高了合金的相转变温度，发现调整工艺参数可以控制合金的机械性能和相相转变温度，这表明SLM对于成形高致密度、高质量的Cu基形状记忆合
机械工程学报第56卷第15期期114射扫描电子显微镜下观察分别如图7～9所示。由图中可以看出晶粒的平均尺寸在40μm左右，晶粒内部多为层状马氏体组织，这与XRD检测结果一致。形状记忆合金的形状记忆效应的实现需要具备除热弹性马氏体转变外，马氏体的结构应是孪晶或层错[20]，由图7中可以明显看出马氏体组织为层状，排列有序，呈现出良好的自协调性，有利于合金试样成形后表现出良好的变形性能。图7SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样X射线衍射图图8SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样的光镜图图9SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样的电镜图2.4力学性能分析SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样的常温拉伸应力应变曲线如图10a所示，试样的最大抗拉强度为786.8MPa，断裂延伸率为16.2%，试样拉伸曲线显示出试样为脆性断裂，从图11a、图11b的断口形貌可以看出，试样断裂过程中形成了解理台阶和河流状花样，断裂后的断口也未形成缩颈。为进一步研究试样的高温力学性能，将试样在200℃和300℃下也进行了拉伸测试，结果分别如图10b、图10c所示。其中温度升高至200℃时，最大抗拉强度为825.6MPa，断裂延伸率为20.3%，与常温相比均有所提高，但断裂方式仍为脆性断裂，断裂面(图11c、图11d)呈现解理台阶和河流状花样。而当温度升高至300℃时，拉伸应力-应变曲线出现了屈服阶段，有塑性变形产生，断面中除了解理面外，还有韧窝(图11e、图11f)，因而试样的最大抗拉强度降低至595.3MPa，断裂延伸率提高至42.16%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能Cu基形状记忆合金组织设计研究进展[J]. 黄海友,王伟丽,刘记立,谢建新. 中国材料进展. 2016(11)
博士论文
[1]激光选区熔化成形模具钢材料的组织与性能演变基础研究[D]. 赵晓.华中科技大学 2016
[2]金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D]. 李瑞迪.华中科技大学 2010
本文编号：3115790
【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(15)北大核心EICSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样拉伸应力-应变图
月2020年8月党明珠等：激光选区成形Cu-Al-Mn-Ti记忆合金的工艺及性能研究111忆性能，还使得合金具有较好的延性[8-9]。但Cu-Al-Mn合金还存在晶粒粗大、冷加工性能差等问题，常常通过添加第四种元素来改善材料性能。如加入Ti、Cr、Co元素Ti可以细化晶粒，提高马氏体转变温度和形状记忆性能，但会降低材料的冷加工性能，加入Fe、Ni、Zn元素也可以提高合金的形状记忆性能[10]。激光选区熔化技术(Selectivelasermelting,SLM)是一种最具潜力的增材制造(Additivemanufacturing，AM)技术，通过逐层累积的方式将粉末材料逐层按零件形状进行激光熔化凝固成形。激光选区熔化技术具有成形零件性能优良，可成形复杂形状零件，制造周期短，产品多样定制化等，已广泛应用于航空航天、医疗等领域，用于制造轻量化构件、个性植入体等[11]。目前SLM技术已广泛用于钛合金、不锈钢、Co-Cr合金[12-13]等的成形，而由于Cu、Al等元素对激光的吸收率较低，SLM成形上述金属的报道较少，TIAN等[14]研究了SLM成形Cu-13.5Al-4Ni-0.5Ti合金的成形工艺和力学性能，发现试样在107J/mm3时具有最佳的拉伸性能，室温下拉伸强度为(541±26)MPa，延伸率为7.63％±0.39％，高于铸造的样品，将温度升高至200℃时，拉伸强度和延伸率都得到提升。GUSTMANN等[15-16]采用SLM技术成形了Cu-11.85Al-3.2Ni-3Mn和Cu-11.85Al-3.2Ni-3Mn-0.5Zr合金，研究中获得了高致密的样品，Zr元素的加入提高了合金的相转变温度，发现调整工艺参数可以控制合金的机械性能和相相转变温度，这表明SLM对于成形高致密度、高质量的Cu基形状记忆合
机械工程学报第56卷第15期期114射扫描电子显微镜下观察分别如图7～9所示。由图中可以看出晶粒的平均尺寸在40μm左右，晶粒内部多为层状马氏体组织，这与XRD检测结果一致。形状记忆合金的形状记忆效应的实现需要具备除热弹性马氏体转变外，马氏体的结构应是孪晶或层错[20]，由图7中可以明显看出马氏体组织为层状，排列有序，呈现出良好的自协调性，有利于合金试样成形后表现出良好的变形性能。图7SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样X射线衍射图图8SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样的光镜图图9SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样的电镜图2.4力学性能分析SLM成形Cu11.85Al3.2Mn0.1Ti试样的常温拉伸应力应变曲线如图10a所示，试样的最大抗拉强度为786.8MPa，断裂延伸率为16.2%，试样拉伸曲线显示出试样为脆性断裂，从图11a、图11b的断口形貌可以看出，试样断裂过程中形成了解理台阶和河流状花样，断裂后的断口也未形成缩颈。为进一步研究试样的高温力学性能，将试样在200℃和300℃下也进行了拉伸测试，结果分别如图10b、图10c所示。其中温度升高至200℃时，最大抗拉强度为825.6MPa，断裂延伸率为20.3%，与常温相比均有所提高，但断裂方式仍为脆性断裂，断裂面(图11c、图11d)呈现解理台阶和河流状花样。而当温度升高至300℃时，拉伸应力-应变曲线出现了屈服阶段，有塑性变形产生，断面中除了解理面外，还有韧窝(图11e、图11f)，因而试样的最大抗拉强度降低至595.3MPa，断裂延伸率提高至42.16%。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高性能Cu基形状记忆合金组织设计研究进展[J]. 黄海友,王伟丽,刘记立,谢建新. 中国材料进展. 2016(11)
博士论文
[1]激光选区熔化成形模具钢材料的组织与性能演变基础研究[D]. 赵晓.华中科技大学 2016
[2]金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D]. 李瑞迪.华中科技大学 2010
本文编号：3115790
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