基于SLS覆膜锆砂砂型的钛合金快速铸造工艺研究

发布时间：2017-10-04 09:03

  本文关键词：基于SLS覆膜锆砂砂型的钛合金快速铸造工艺研究

  更多相关文章： 选区激光烧结(SLS) 覆膜锆砂 氧化钇(Y2O3) 钇溶胶 熔融Ti 界面反应

【摘要】：采用激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS)技术直接成形砂型砂芯,具有响应速度快、制造周期短、灵活性高、稳定性好、砂型与砂芯一体化制造及可制造出任意复杂形状等优点,对提升大型复杂铸件的快速试制和制造水平有明显的促进作用,在航空航天及汽车等领域解决一些关键铸件的生产展现出巨大潜力。目前,国内外SLS成形砂型(芯)已实际应用于铸铝、铸钢及铸铁等材质的零件生产,而熔融钛因具有很高的化学活性,铸造成形时极易与常规铸型材料发生界面反应,导致钛铸件表面产生较厚的氧化层、黏砂、表面夹杂及气孔等一系列的铸造缺陷,限制了SLS覆膜砂型(芯)在钛合金铸造中的应用。因此,研究适合于钛合金铸造的SLS用的砂型材料和制备工艺,对于推广SLS快速成形技术在钛合金铸造领域的应用有着重要作用。本文结合SLS成形和钛合金铸造的特点,选用高温稳定性、导热性好的锆砂为原砂材料,氧化钇(Y2O3)、酚醛树脂及钇溶胶分别为填充材料和粘结剂;在锆砂热、冷覆膜试验的基础上,着重进行了覆膜锆砂的激光烧结成形、后固化及钇溶胶浸渗、Y2O3喷涂及焙烧处理研究。其中,重点研究了激光功率、单层扫描面积和Y2O3添加量等对覆膜锆砂激光烧结件初强度的影响规律及其作用机制,并进一步探讨了焙烧温度对SLS锆砂砂型的拉伸强度、发气量的影响;另外,还进行了纯钛的SLS锆砂砂型浇铸实验,初步探讨了SLS锆砂砂型表面与钛铸件的界面反应机理。其主要研究结果如下:在相同酚醛树脂含量的条件下,锆砂的热法覆膜强度明显高于冷法,而且热法覆膜的覆膜锆砂中添加的Y2O3粉末分散更趋均匀;而覆膜锆砂的激光烧结成形发现,单层扫描面积对锆砂烧结件的力学性能有显著影响,随单层扫描面积的增加,锆砂激光烧结件的初强度大幅降低,严重影响了锆砂砂型的激光烧结成形。2wt%树脂含量的覆膜锆砂的合理激光烧结成形工艺参数为:扫描间距0.15mm,预热温度55℃,铺粉层厚0.2mm,激光功率35W,扫描速度2000mm/s;在单层扫描面积57cm2,其锆砂激光烧结件初强度为0.27MPa,170℃固化处理的拉伸强度达到2.14MPa,且锆砂砂型轮廓清晰,表面光滑平整。覆膜锆砂中Y2O3添加量≤0.5wt%,对锆砂的SLS成形影响小;但随着Y2O3粉添加量的持续递增,SLS覆膜锆砂的初强度迅速下降;其中,Y2O3添加量1.5wt%时,SLS覆膜锆砂的初强度为0.15MPa,经170℃固化后,其抗拉强度达到1.67MPa,分别为未添加Y2O3覆膜锆砂的55.5%、78.2%。SLS锆砂砂型的钇溶胶浸渗实验表明,钇溶胶已浸入SLS锆砂砂型内部约2-3mm,并在锆砂砂型表面形成了光滑胶凝薄膜,强化了锆砂砂型表面强度;在Y2O3涂料粉液比为0.667时,SLS锆砂砂型砂芯表面的Y2O3涂层失水胶凝后,涂层表面光滑、无开裂等现象,层厚均匀,且Y2O3涂层与锆砂砂型结合良好。焙烧温度对SLS锆砂砂型的强度影响较小,随着焙烧温度的升高,SLS锆砂砂型的抗拉强度缓慢下降;而对浸渗有钇溶胶的SLS锆砂砂型的发气量有明显的影响,随焙烧温度的提高,其发气量迅速减小;在焙烧温度250℃时,浸渗有钇溶胶的SLS锆砂砂型抗拉强度为2.01MPa,发气量5.21ml/g,SLS锆砂砂型的综合性能表现最好。采用SLS锆砂砂型(芯)浇铸的纯钛铸件轮廓清晰、表面光亮,没有发现明显的铸造缺陷,砂型中的Y2O3有效阻隔了熔融Ti与锆砂颗粒的接触,避免了锆砂中Si、Zr和O元素的扩散迁移,减小了界面反应程度;同时,SEM+EDS分析也表明,SLS锆砂砂型与钛铸件界面反应厚度仅约3μm,铸件表面氧化层产物为TinO2n-1和TiO2,O扩散富集固溶层厚度约1μm,且在扩散富集层中没有发现Y和Zr元素;相比采用Y2O3作为耐火材料的熔模铸造界面反应层厚度大幅减小。
【关键词】：选区激光烧结(SLS) 覆膜锆砂 氧化钇(Y2O3) 钇溶胶 熔融Ti 界面反应
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG292
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 课题研究背景10-11
• 1.2 钛合金铸造国内外研究现状11-19
• 1.2.1 钛合金铸件的应用现状11-12
• 1.2.2 钛合金铸造特点及铸型12-15
• 1.2.3 钛合金铸型面层材料研究现状15-16
• 1.2.4 氧化钇(Y_2O_3)在钛合金铸造中的应用16
• 1.2.5 钛合金铸型粘结剂的选择16-17
• 1.2.6 钛铸件与铸型的界面反应研究现状17-19
• 1.3 覆膜砂激光选区烧结（SLS）快速成形技术研究现状19-22
• 1.3.1 SLS快速成形技术概述及原理19-20
• 1.3.2 覆膜砂SLS快速成形技术研究现状20-22
• 1.4 研究目的、意义及主要内容22-24
• 第二章 实验材料、设备与实验方案24-35
• 2.1 实验材料24-25
• 2.2 实验条件及测试仪器25-26
• 2.3 实验方案26-35
• 2.3.1 覆膜锆砂的制备27-29
• 2.3.2 覆膜锆砂的激光选区烧结实验29-30
• 2.3.3 添加氧化钇的覆膜锆砂激光选区烧结实验30
• 2.3.4 SLS锆砂砂型浸渗钇溶胶实验30-31
• 2.3.5 涂层的制备31
• 2.3.6 SLS砂型焙烧工艺研究31-32
• 2.3.7 纯钛浇注实验32-33
• 2.3.8 实验方案总体构思流程图33
• 2.3.9 测试与表征33-35
• 第三章 覆膜锆砂的制备及SLS成形工艺研究35-48
• 3.1 覆膜锆砂不同制备方法导致的性能差异及分析35-40
• 3.1.1 SLS成形抗拉强度的差异及分析35-36
• 3.1.2 固化后的性能差异及分析36-38
• 3.1.3 发气量的差异及分析38-39
• 3.1.4 覆膜锆砂砂型断.微观形貌与分析39-40
• 3.2 激光选区烧结（SLS）工艺研究40-44
• 3.2.1 激光功率大小对覆膜锆砂型质量的影响与分析41-42
• 3.2.2 激光选区烧结面积对抗拉强度的影响及分析42-44
• 3.3 添加Y_2O_3粉的覆膜锆砂其SLS成形工艺44-45
• 3.4 SLS成形制备覆膜锆砂砂型砂芯45-46
• 3.5 本章小结46-48
• 第四章 SLS覆膜锆砂后处理工艺研究48-55
• 4.1 SLS砂型型腔表面浸渗工艺研究48-50
• 4.2 SLS砂型型腔表面喷涂工艺研究50-52
• 4.3 SLS砂型焙烧工艺研究52-54
• 4.4 本章小结54-55
• 第五章 SLS锆砂砂型与钛铸件的界面反应研究55-64
• 5.1 SLS锆砂砂型钛铸件表面生成物分析55-58
• 5.2 SLS锆砂砂型钛铸件的界面反应厚度58-62
• 5.3 SLS锆砂砂型钛铸件界面反应机理62-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第六章 结论与展望64-67
• 6.1 结论64-65
• 6.2 展望65-67
• 参考文献67-70
• 攻读硕士学位期间发表论文和参与科研项目70-71
• 致谢71-72

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