Ti-48Al-2Cr-2Nb合金激光选区熔化成形工艺研究
发布时间：2021-11-04 17:45
Ti-48Al-2Cr-2Nb是综合性能最佳的TiAl合金之一,但是由于其铸态组织为粗大柱状晶组织,导致熔模铸造和电火花加工中存在工序繁多、强度和延展性难以平衡和孔隙难以彻底消除等问题,严重限制了其工程化应用。激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）的成形件晶粒细小、组织均匀、力学性能优异,但是成形过程存在高残余应力和在线质量控制困难等问题,导致SLM成形零件与传统方法在微观组织与性能方面存在明显差异。因此,本文以Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末为研究对象,采用正交试验、金相分析、扫描电镜、XRD等测试手段及方法,研究SLM成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的工艺规律、显微组织及力学性能,探讨改善其性能和组织的参数及途径。主要研究内容及结果如下:1.研究了激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚对SLM成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金致密度、微观组织与维氏硬度的演变规律。激光扫描形成的熔池可分割成三个区域:粗晶区、过渡区和细品区。影响成形质量的主要因素是激光功率和扫描速度,当激光功率90W,扫描速度1000mm/s,扫描间距90μm,铺粉层厚...
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SLM工艺流程示意图
北华航天工业学院硕士学位论文7图1.2SLM成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金工艺流程图1.5.1Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末检验SLM的成形零件最终结果受到多方面因素的影响，其中起决定性因素的就是成形粉末的质量，大小均匀、组织致密的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末是成形高质量零件的先决条件。惰性气体雾化法制备钛铝基合金粉末是目前国内外主流的方法[20]，其制备的钛铝合金粉末具有氧含量低、球形度高等优点，非常适合SLM成形。本试验所选用的原材料粉末为西安赛隆金属提供的惰性气体雾化制备Ti-48Al-2Cr-2Nb（at.%）合金粉末。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金成形零件性能稳定，密度低，力学性能好，工程化能力优异，合金的低密度可达到减重效果，低热膨胀系数可减轻热疲劳问题，高热传导对采用外部冷却，从而提高使用温度非常有利[21]。合金粉末主要化学成分如表1.2所示。表1.2Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末化学成分元素成分Al.铝Cr.铬Fe.铁Nb.铌C.碳N.氮O.氧H.氢Ti.钛Wt%33.932.520.0534.500.0090.0030.0820.001余量成形之前Ti-48Al-2Cr-2Nb合金需密封存放在专用的密封罐内，隔绝氧气，置于阴凉干燥恒温的环境中，放入送粉仓之前应进行烘干处理，目的是排出粉末中存在的氧气和水分。为了能够得到更加精确的试验数据，需对粉末材料进行复检。首先观察粉末外观无明显结块、夹杂，质地均匀，利于刮刀铺展。欧奇奥ALPAGA500NANO粒度仪用于研究粉末的粒度分布，如图1.3a所示。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末粒径分布如图1.3b所示，合金粉末具有相对较宽的粒径分布，但主要集中在15μm-53μm之间，D50为32.9μm，由其粒径分布图可知粉末颗粒粒径呈正态分布，这样的粉末铺展的粉层更加致密，有利于提高SLM成形零件的相对致密度。
Ti-48Al-2Cr-2Nb合金激光选区熔化成形工艺研究8图1.3a)欧奇奥ALPAGA500NANO粒度仪b)Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末粒径分布图Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末样品的扫描电子显微镜（SEM）图像由Zeiss蔡司SUPRA55VP场发射扫描电镜获得，放大倍数500倍，如图1.4a所示。其微观形貌如图1.4b所示，可以看出，Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末颗粒主要为球形或近球形，这是保证良好流动性的前提，同时也利于刮刀平铺粉末层，虽然大颗粒表面粘附有尺寸较小的卫星球，但是可以满足激光选区熔化成形要求。图1.4a)ZeissSUPRA55VP场发射扫描电镜b)Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末形貌1.5.2试验设备和方法SLM成形过程中存在大量的光和热，激光经过透镜扫描粉床，粉末层吸收能量后迅速熔化，并与上一层粘连，最终成形实体。成形的过程十分复杂，基板温度、激光类型及特性、工艺参数和粉末自身特性等多达130种[22]因素共同影响成形质量，要想同时考虑所有因素在具体实施过程中并不可行，只能优先考虑对成形质量影响大的因素，这就彰显出成形设备选择的重要性。德国是世界上较早研究和发展SLM成形设备的国家之一，同时也是第一个研发出SLM成形设备的国家，其SLM成形技术居世界主导地位。本试验所采用的SLM装备是德国EOS公司自主研发的M290型快速成形系统，主要由M290主体、水冷机和保护气
【参考文献】：
期刊论文
[1]放电等离子烧结制备Ti-22Al-25Nb合金及致密化机理[J]. 贾建波,杨越,孙威,仲晓晓,徐岩,顾勇飞,骆俊廷. 中国有色金属学报. 2019(07)
[2]航空钛合金零件激光选区熔化3D打印技术应用的关键基础研究[J]. 高健,刘立彬,贺韡,张婷. 航空制造技术. 2018(Z2)
[3]金属3D打印技术及其专用粉末特征与应用[J]. 程玉婉,关航健,李博,肖志瑜. 材料导报. 2017(S1)
[4]金属粉末选区激光熔化球化现象研究[J]. 张格,王建宏,张浩. 铸造技术. 2017(02)
[5]球形钛粉制备技术的研究进展[J]. 曾光,白保良,张鹏,梁书锦,韩志宇,陈小林,张平祥. 钛工业进展. 2015(01)
[6]SLM成型医用钴铬合金的表面粗糙度与致密度研究[J]. 赵进炎,仇毅,刘富荣,陈继民. 应用激光. 2014(06)
[7]Ti-Ti2AlNb功能梯度材料的激光立体成形研究[J]. 刘建涛,林鑫,吕晓卫,陈静,黄卫东. 金属学报. 2008(08)
[8]合金元素对Nb-Mo-Si合金相平衡及Nb-Nb5Si3共晶组织形态的影响[J]. 刘肖,李玉龙,沙江波,马朝利. 复合材料学报. 2008(02)
[9]Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金的研究和应用[J]. 赵婷. 材料工程. 1997(10)
博士论文
[1]TC21钛合金高性能铣削工艺基础研究[D]. 史琦.南京航空航天大学 2013
[2]选择性激光熔化快速成形关键技术研究[D]. 章文献.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]Ti/Al/Nb复合粉末制备及热压烧结研究[D]. 张宏智.哈尔滨工业大学 2018
[2]非平衡等离子体重整甲烷制取低碳烃的动力学机理研究[D]. 孙进桃.北京交通大学 2017
[3]Ti-55531高强韧钛合金组织性能及热变形行为研究[D]. 潘浩.西安建筑科技大学 2016
[4]Y对铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织和室温性能的影响[D]. 张冬冬.哈尔滨工业大学 2016
[5]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
[6]Ti-48Al-2Cr-2Nb熔模铸造应力及缺陷的研究[D]. 王玉.哈尔滨工业大学 2013
[7]TiAl基合金连杆件底漏式真空吸铸工艺研究[D]. 冯明.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3476196
【文章来源】：北华航天工业学院河北省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
SLM工艺流程示意图
北华航天工业学院硕士学位论文7图1.2SLM成形Ti-48Al-2Cr-2Nb合金工艺流程图1.5.1Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末检验SLM的成形零件最终结果受到多方面因素的影响，其中起决定性因素的就是成形粉末的质量，大小均匀、组织致密的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末是成形高质量零件的先决条件。惰性气体雾化法制备钛铝基合金粉末是目前国内外主流的方法[20]，其制备的钛铝合金粉末具有氧含量低、球形度高等优点，非常适合SLM成形。本试验所选用的原材料粉末为西安赛隆金属提供的惰性气体雾化制备Ti-48Al-2Cr-2Nb（at.%）合金粉末。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金成形零件性能稳定，密度低，力学性能好，工程化能力优异，合金的低密度可达到减重效果，低热膨胀系数可减轻热疲劳问题，高热传导对采用外部冷却，从而提高使用温度非常有利[21]。合金粉末主要化学成分如表1.2所示。表1.2Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末化学成分元素成分Al.铝Cr.铬Fe.铁Nb.铌C.碳N.氮O.氧H.氢Ti.钛Wt%33.932.520.0534.500.0090.0030.0820.001余量成形之前Ti-48Al-2Cr-2Nb合金需密封存放在专用的密封罐内，隔绝氧气，置于阴凉干燥恒温的环境中，放入送粉仓之前应进行烘干处理，目的是排出粉末中存在的氧气和水分。为了能够得到更加精确的试验数据，需对粉末材料进行复检。首先观察粉末外观无明显结块、夹杂，质地均匀，利于刮刀铺展。欧奇奥ALPAGA500NANO粒度仪用于研究粉末的粒度分布，如图1.3a所示。Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末粒径分布如图1.3b所示，合金粉末具有相对较宽的粒径分布，但主要集中在15μm-53μm之间，D50为32.9μm，由其粒径分布图可知粉末颗粒粒径呈正态分布，这样的粉末铺展的粉层更加致密，有利于提高SLM成形零件的相对致密度。
Ti-48Al-2Cr-2Nb合金激光选区熔化成形工艺研究8图1.3a)欧奇奥ALPAGA500NANO粒度仪b)Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末粒径分布图Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末样品的扫描电子显微镜（SEM）图像由Zeiss蔡司SUPRA55VP场发射扫描电镜获得，放大倍数500倍，如图1.4a所示。其微观形貌如图1.4b所示，可以看出，Ti-48Al-2Cr-2Nb合金粉末颗粒主要为球形或近球形，这是保证良好流动性的前提，同时也利于刮刀平铺粉末层，虽然大颗粒表面粘附有尺寸较小的卫星球，但是可以满足激光选区熔化成形要求。图1.4a)ZeissSUPRA55VP场发射扫描电镜b)Ti-48Al-2Cr-2Nb粉末形貌1.5.2试验设备和方法SLM成形过程中存在大量的光和热，激光经过透镜扫描粉床，粉末层吸收能量后迅速熔化，并与上一层粘连，最终成形实体。成形的过程十分复杂，基板温度、激光类型及特性、工艺参数和粉末自身特性等多达130种[22]因素共同影响成形质量，要想同时考虑所有因素在具体实施过程中并不可行，只能优先考虑对成形质量影响大的因素，这就彰显出成形设备选择的重要性。德国是世界上较早研究和发展SLM成形设备的国家之一，同时也是第一个研发出SLM成形设备的国家，其SLM成形技术居世界主导地位。本试验所采用的SLM装备是德国EOS公司自主研发的M290型快速成形系统，主要由M290主体、水冷机和保护气
【参考文献】：
期刊论文
[1]放电等离子烧结制备Ti-22Al-25Nb合金及致密化机理[J]. 贾建波,杨越,孙威,仲晓晓,徐岩,顾勇飞,骆俊廷. 中国有色金属学报. 2019(07)
[2]航空钛合金零件激光选区熔化3D打印技术应用的关键基础研究[J]. 高健,刘立彬,贺韡,张婷. 航空制造技术. 2018(Z2)
[3]金属3D打印技术及其专用粉末特征与应用[J]. 程玉婉,关航健,李博,肖志瑜. 材料导报. 2017(S1)
[4]金属粉末选区激光熔化球化现象研究[J]. 张格,王建宏,张浩. 铸造技术. 2017(02)
[5]球形钛粉制备技术的研究进展[J]. 曾光,白保良,张鹏,梁书锦,韩志宇,陈小林,张平祥. 钛工业进展. 2015(01)
[6]SLM成型医用钴铬合金的表面粗糙度与致密度研究[J]. 赵进炎,仇毅,刘富荣,陈继民. 应用激光. 2014(06)
[7]Ti-Ti2AlNb功能梯度材料的激光立体成形研究[J]. 刘建涛,林鑫,吕晓卫,陈静,黄卫东. 金属学报. 2008(08)
[8]合金元素对Nb-Mo-Si合金相平衡及Nb-Nb5Si3共晶组织形态的影响[J]. 刘肖,李玉龙,沙江波,马朝利. 复合材料学报. 2008(02)
[9]Ti-48Al-2Cr-2Nb 合金的研究和应用[J]. 赵婷. 材料工程. 1997(10)
博士论文
[1]TC21钛合金高性能铣削工艺基础研究[D]. 史琦.南京航空航天大学 2013
[2]选择性激光熔化快速成形关键技术研究[D]. 章文献.华中科技大学 2008
硕士论文
[1]Ti/Al/Nb复合粉末制备及热压烧结研究[D]. 张宏智.哈尔滨工业大学 2018
[2]非平衡等离子体重整甲烷制取低碳烃的动力学机理研究[D]. 孙进桃.北京交通大学 2017
[3]Ti-55531高强韧钛合金组织性能及热变形行为研究[D]. 潘浩.西安建筑科技大学 2016
[4]Y对铸造Ti-48Al-2Cr-2Nb合金组织和室温性能的影响[D]. 张冬冬.哈尔滨工业大学 2016
[5]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
[6]Ti-48Al-2Cr-2Nb熔模铸造应力及缺陷的研究[D]. 王玉.哈尔滨工业大学 2013
[7]TiAl基合金连杆件底漏式真空吸铸工艺研究[D]. 冯明.哈尔滨工业大学 2011
本文编号：3476196
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