基于仿生贝壳的激光增材制造梯度材料研究
发布时间：2021-10-10 20:19
贝壳等天然生物材料在具有高强度、高硬度的同时,兼具高塑性、高韧性。贝壳外表面具有螺旋状的纹路,在厚度方向逐层梯度,且由内层向外层过渡时,层片之间形成旋转纹路的结构,是其具有综合性能的主要原因。本文仿照天然贝壳的结构,以45钢为基材,三种不相同的Fe-Cr-Ni合金粉末为熔覆材料,采用激光铺粉增材制造技术制备了多层梯度结构材料。建立了多层梯度结构材料的层间膨胀系数以及梯度结构热应力的匹配原则,研究了层间结晶规律、微观组织结构演变和磨损性能,获得了性能优异的多层梯度结构材料的合金粉末匹配原则和激光增材制备工艺参数,其研究成果对激光增材制备耐磨材料具有一定的技术支持和理论指导意义。其主要成果如下:（1）层间材料的匹配原则梯度结构各层之间的热应力匹配应满足:使抗裂性能高的梯度材料受拉,脆硬材料受压的原则。仿生梯度结构中,基体采用45钢,过渡层采用材料1,中间层采用材料2或材料3,这样使与材料1相邻的熔覆层产生压应力,材料1则受拉应力作用。（2）梯度层间结晶特征合金元素的含量及相邻层纹路夹角会对熔覆层的结晶形态产生影响:三种合金粉末中,Ni含量低的材料2和材料3的凝固模式为FA;Ni含量较高的材...
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
贝壳等生物材料微观结构
第2章试验材料与设备9图2.1合金粉末颗粒形貌2.1.3黏结剂选型根据熔覆层材料添加方式不同，通常将激光熔覆分为预置送粉式、同步送粉式和丝材激光熔覆[33]。预置送粉法：首先将熔覆材料与粘接剂混合后，粘结至基体表面制成涂层；然后利用连续的高能激光束扫描涂层，涂层吸收光子而产生大量的热，熔覆材料表层被加热熔化。同时，热量以热传导方式[33，39]进入熔覆层内部，使固-液相界面不断向内推进，将熔覆层和基体表面熔融，而后冷却结晶，最终涂层与基体形成冶金结合，以达到成型的目的。同步送粉法：则是边熔覆边由送粉系统将合金粉末送入熔覆区，激光将金属粉末与基体表面同时熔化，而后冷却结晶，与基体形成冶金结合。丝材激光熔覆法：是由送丝系统将丝材连续精确地送至熔覆区，激光束将金属丝和基体材料熔化后形成熔池，而后冷却结晶，与基体形成冶金结合。本试验采用粉末预置法，进行激光增材制造。因此，除了选择基体材料、合金粉末外，还需要选择黏结剂。不同类型的黏结剂加热后，会对激光增材制造结果造成不同的影响。水玻璃及硅酸盐胶在加热过程中极易膨胀，造成熔覆后合金层与基体脱离[33]，成型质量差。马海波[40]研究后认为，水玻璃内部含有结晶水，作为黏结剂使用时，受热后极易产生气孔。且水玻璃燃烧过程中产生大量烟雾状气体，对熔池造成干扰，并降低材料表面对光束的吸收率。而大多数有机物黏结剂，在燃烧和分解后会形成炭黑产物[33]，容易导致合金粉末溅出，并对激光产生屏蔽。虽然以硝化纤维素为基体的黏结剂可以避免这一问题，得到较好的试验效果，但考虑到市场售卖的纤维素，大多含有Na元素，可能影响试验结果。而2123酚醛树脂作为热塑性线性型酚醛树脂[41，42]（图2.2），内部含有7～9%的乌洛托品?
第2章试验材料与设备10－CH2－OHOH－CH2－OHn~~~~CH2－－CH2~~~~NNNN(C2H4)6N4图2.2酚醛树脂分子结构刘敬[43]研究了黏结剂浓度对成型质量造成的影响，他分析了聚乙烯醇-水黏结剂的熔覆效果。研究结果表明，黏结剂溶液浓度低于2%时，合金粉末会因粘结性的不足而被保护气吹散；当溶液的浓度高于6%后，聚乙烯醇受热分解的气体不能及时溢出熔池，而使熔覆层内部产生大量气孔，严重时气体将冲击熔融液态金属造成飞溅。参照上述研究结果，本试验配备了酚醛树脂-无水乙醇溶液作为黏结剂。使用前，先将树脂粉末溶于无水乙醇中，制备成质量分数3%的酚醛树脂-酒精溶液，在激光增材制造试验过程中取得了良好的使用效果。2.2试验设备2.2.1熔覆成型设备2.2.1.1激光发生器成型设备采用德国Trumpf公司生产的TruDisk8002型Nd:YAG碟片式激光器，如图2.3。该激光器光纤直径200μm，光束发散角8，最大输出功率8000W。激光器工作时，Nd原子中的电子跃迁至亚稳态4F3/2，而后分别向终态能级4I11/2、4I9/2、4I13/2跃迁[44]，分别辐射出中心波长为1.06μm、0.946μm和1.35μm的光谱带，三者强度比为0.6:0.25:0.14。而1.06μm的谱线首先起振，对1.35μm光谱的起振产生抑制，从而使激光器最终辐射出波长为1.03μm的近红外光谱。图2.3TruDisk8002型Nd:YAG碟片式激光器
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光增材制造Fe-Cr-Ni合金的组织和性能[J]. 张天驰,林英,刘双宇,冷书涵,张福隆,刘国昌. 热加工工艺. 2019(24)
[2]复杂结构与高性能材料增材制造技术进展[J]. 刘伟,李能,周标,张国栋,梁家誉,郑涛,熊华平. 机械工程学报. 2019(20)
[3]钢的激光增材制造研究进展及前景展望[J]. 舒宗富,黄春平,林鑫,刘奋成. 精密成形工程. 2019(04)
[4]High strength and ductility of 34CrNiMo6 steel produced by laser solid forming[J]. Chunping Huang,Xin Lin,Fencheng Liu,Haiou Yang,Weidong Huang. Journal of Materials Science & Technology. 2019(02)
[5]基于螺旋贝壳仿生的发动机增压器涡轮蜗壳设计提升涡轮性能[J]. 吴娜,张克松,王希波,马云海. 农业工程学报. 2018(19)
[6]激光熔化沉积技术在制备梯度功能材料中的应用[J]. 刘帅,王阳,刘常升. 航空制造技术. 2018(17)
[7]仿生材料3D打印[J]. 张靓,赵宁,徐坚. 中国材料进展. 2018(06)
[8]微桁架点阵结构在飞机结构/功能一体化中的应用[J]. 王向明,苏亚东,吴斌,张瑞,王福雨,汪嘉兴,邢本东. 航空制造技术. 2018(10)
[9]Zr-4合金表面激光熔覆不同类型TiN粉末的组织与性能[J]. 马建光,朱卫华,朱红梅,廖帮亮,孙楚光,王新林. 金属热处理. 2017(01)
[10]激光熔覆粉料和工艺参数对45钢基体与熔覆层结合强度的影响研究[J]. 许明三,李剑峰,李驊登,孙杰,李方义,赵彦华. 机械工程学报. 2017(09)
博士论文
[1]激光熔化沉积TiC/Ti6Al4V复合材料的组织性能调控[D]. 王建东.哈尔滨工业大学 2018
[2]激光熔覆γ-Ni/Mo2Ni3Si合金涂层的制备工艺与性能研究[D]. 刘敬.中国农业大学 2016
[3]典型贝类壳体生物耦合特性及其仿生耐磨研究[D]. 田喜梅.吉林大学 2013
硕士论文
[1]基于贝壳珍珠层特征的金属仿生设计和电弧增材制造研究[D]. 闻章鲁.南京理工大学 2017
[2]双金属交织结构等离子弧增材制造技术研究[D]. 程卫琴.南京理工大学 2017
[3]激光熔覆原位自生增强颗粒复合涂层研究[D]. 马海波.大连理工大学 2009
[4]激光焊接等离子体高速摄影图象处理及其特性研究[D]. 王义敏.西北工业大学 2002
本文编号：3429090
【文章来源】：长春理工大学吉林省
【文章页数】：83 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
贝壳等生物材料微观结构
第2章试验材料与设备9图2.1合金粉末颗粒形貌2.1.3黏结剂选型根据熔覆层材料添加方式不同，通常将激光熔覆分为预置送粉式、同步送粉式和丝材激光熔覆[33]。预置送粉法：首先将熔覆材料与粘接剂混合后，粘结至基体表面制成涂层；然后利用连续的高能激光束扫描涂层，涂层吸收光子而产生大量的热，熔覆材料表层被加热熔化。同时，热量以热传导方式[33，39]进入熔覆层内部，使固-液相界面不断向内推进，将熔覆层和基体表面熔融，而后冷却结晶，最终涂层与基体形成冶金结合，以达到成型的目的。同步送粉法：则是边熔覆边由送粉系统将合金粉末送入熔覆区，激光将金属粉末与基体表面同时熔化，而后冷却结晶，与基体形成冶金结合。丝材激光熔覆法：是由送丝系统将丝材连续精确地送至熔覆区，激光束将金属丝和基体材料熔化后形成熔池，而后冷却结晶，与基体形成冶金结合。本试验采用粉末预置法，进行激光增材制造。因此，除了选择基体材料、合金粉末外，还需要选择黏结剂。不同类型的黏结剂加热后，会对激光增材制造结果造成不同的影响。水玻璃及硅酸盐胶在加热过程中极易膨胀，造成熔覆后合金层与基体脱离[33]，成型质量差。马海波[40]研究后认为，水玻璃内部含有结晶水，作为黏结剂使用时，受热后极易产生气孔。且水玻璃燃烧过程中产生大量烟雾状气体，对熔池造成干扰，并降低材料表面对光束的吸收率。而大多数有机物黏结剂，在燃烧和分解后会形成炭黑产物[33]，容易导致合金粉末溅出，并对激光产生屏蔽。虽然以硝化纤维素为基体的黏结剂可以避免这一问题，得到较好的试验效果，但考虑到市场售卖的纤维素，大多含有Na元素，可能影响试验结果。而2123酚醛树脂作为热塑性线性型酚醛树脂[41，42]（图2.2），内部含有7～9%的乌洛托品?
第2章试验材料与设备10－CH2－OHOH－CH2－OHn~~~~CH2－－CH2~~~~NNNN(C2H4)6N4图2.2酚醛树脂分子结构刘敬[43]研究了黏结剂浓度对成型质量造成的影响，他分析了聚乙烯醇-水黏结剂的熔覆效果。研究结果表明，黏结剂溶液浓度低于2%时，合金粉末会因粘结性的不足而被保护气吹散；当溶液的浓度高于6%后，聚乙烯醇受热分解的气体不能及时溢出熔池，而使熔覆层内部产生大量气孔，严重时气体将冲击熔融液态金属造成飞溅。参照上述研究结果，本试验配备了酚醛树脂-无水乙醇溶液作为黏结剂。使用前，先将树脂粉末溶于无水乙醇中，制备成质量分数3%的酚醛树脂-酒精溶液，在激光增材制造试验过程中取得了良好的使用效果。2.2试验设备2.2.1熔覆成型设备2.2.1.1激光发生器成型设备采用德国Trumpf公司生产的TruDisk8002型Nd:YAG碟片式激光器，如图2.3。该激光器光纤直径200μm，光束发散角8，最大输出功率8000W。激光器工作时，Nd原子中的电子跃迁至亚稳态4F3/2，而后分别向终态能级4I11/2、4I9/2、4I13/2跃迁[44]，分别辐射出中心波长为1.06μm、0.946μm和1.35μm的光谱带，三者强度比为0.6:0.25:0.14。而1.06μm的谱线首先起振，对1.35μm光谱的起振产生抑制，从而使激光器最终辐射出波长为1.03μm的近红外光谱。图2.3TruDisk8002型Nd:YAG碟片式激光器
【参考文献】：
期刊论文
[1]激光增材制造Fe-Cr-Ni合金的组织和性能[J]. 张天驰,林英,刘双宇,冷书涵,张福隆,刘国昌. 热加工工艺. 2019(24)
[2]复杂结构与高性能材料增材制造技术进展[J]. 刘伟,李能,周标,张国栋,梁家誉,郑涛,熊华平. 机械工程学报. 2019(20)
[3]钢的激光增材制造研究进展及前景展望[J]. 舒宗富,黄春平,林鑫,刘奋成. 精密成形工程. 2019(04)
[4]High strength and ductility of 34CrNiMo6 steel produced by laser solid forming[J]. Chunping Huang,Xin Lin,Fencheng Liu,Haiou Yang,Weidong Huang. Journal of Materials Science & Technology. 2019(02)
[5]基于螺旋贝壳仿生的发动机增压器涡轮蜗壳设计提升涡轮性能[J]. 吴娜,张克松,王希波,马云海. 农业工程学报. 2018(19)
[6]激光熔化沉积技术在制备梯度功能材料中的应用[J]. 刘帅,王阳,刘常升. 航空制造技术. 2018(17)
[7]仿生材料3D打印[J]. 张靓,赵宁,徐坚. 中国材料进展. 2018(06)
[8]微桁架点阵结构在飞机结构/功能一体化中的应用[J]. 王向明,苏亚东,吴斌,张瑞,王福雨,汪嘉兴,邢本东. 航空制造技术. 2018(10)
[9]Zr-4合金表面激光熔覆不同类型TiN粉末的组织与性能[J]. 马建光,朱卫华,朱红梅,廖帮亮,孙楚光,王新林. 金属热处理. 2017(01)
[10]激光熔覆粉料和工艺参数对45钢基体与熔覆层结合强度的影响研究[J]. 许明三,李剑峰,李驊登,孙杰,李方义,赵彦华. 机械工程学报. 2017(09)
博士论文
[1]激光熔化沉积TiC/Ti6Al4V复合材料的组织性能调控[D]. 王建东.哈尔滨工业大学 2018
[2]激光熔覆γ-Ni/Mo2Ni3Si合金涂层的制备工艺与性能研究[D]. 刘敬.中国农业大学 2016
[3]典型贝类壳体生物耦合特性及其仿生耐磨研究[D]. 田喜梅.吉林大学 2013
硕士论文
[1]基于贝壳珍珠层特征的金属仿生设计和电弧增材制造研究[D]. 闻章鲁.南京理工大学 2017
[2]双金属交织结构等离子弧增材制造技术研究[D]. 程卫琴.南京理工大学 2017
[3]激光熔覆原位自生增强颗粒复合涂层研究[D]. 马海波.大连理工大学 2009
[4]激光焊接等离子体高速摄影图象处理及其特性研究[D]. 王义敏.西北工业大学 2002
本文编号：3429090
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jinshugongy/3429090.html
