冷喷涂增材制造A380铝合金性能研究
发布时间：2021-10-19 12:30
冷喷涂增材制造作为一种新兴的材料制造技术,凭借制备过程无氧化、无相变、对制备材料尺寸无限制以及可以对材料进行修复等优势引起了人们的广泛关注。但是由于冷喷涂是一种固态沉积技术,颗粒-颗粒之间的结合主要是物理结合,如机械互锁等,这导致颗粒界面之间结合较差,材料内部缺陷密度较高,因此材料的力学性能较差,这限制了冷喷涂增材制造的应用。本文围绕提高冷喷涂增材制造的块体材料力学性能展开,选取常见的铝硅合金A380为原料,通过冷喷涂增材制造的方式制备了块体材料,并研究热处理、热轧以及添加硬质相等方法对材料微观组织和力学性能的影响,提出了有效提高材料力学性能的方法。首先研究了后续退火热处理对材料性能的影响。喷涂态A380块体材料强度很低且呈脆性,选择合适的热处理制度对其进行热处理,可以消除喷涂态材料的加工硬化、改善颗粒-颗粒之间的界面结合状态并消除微孔,从而一定程度提高材料的力学性能。然而材料的力学性能仍与铸造A380材料有明显的差距,无法使其达到工业应用标准,这是由于单一热处理无法大幅改变沉积颗粒的变形行为和愈合颗粒边界处的大尺寸孔隙所致。研究了热轧制对冷喷涂增材制造A380材料微观组织和力学性能的...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＬＢＭ机器的示意图（左），以及零件制备迭代的三个流程步骤的示意图（右）
?第１章绪论???１．２所示。粉末层的厚度一般为５０￣２００?ｐｍ，根据设置好的ＣＡＤ数据采用电子束??为热源熔化粉末。电子束在电子枪中产生，然后以６０?ｋｖ的加速电压加速，通过??电磁透镜聚焦，通过磁扫描线圈定向到板上ｘ－ｙ平面上所需的位置［１６］。电子束的??功率、聚焦和扫描速度分别取决于选择的束流、聚焦偏移和速度函数［１７］。首先，??用散焦光束对粉床表面进行多次扫描，对粉床进行预热。根据文献报道，当采用??高达３０?ｍＡ的高射束电流和大约１０４?ｍｍ／ｓ的扫描速度时，Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ的粉末材料??的温度可以达到７００°Ｃ以上［１８＿２（）］，而Ｃｕ的温度可以达到５５０°Ｃ［２１］。然后进行熔??体扫描过程，为了保证金属粉末的完全熔化，在扫描中，按照一定的扫描顺序，??将扫描速度和波束电流分别降低到１〇２?ｍｍ／ｓ和５？１０?ｍＡ左右［１９］。与ＬＢＭ工艺??类似，随后将构建板放低，并继续输送金属粉末。粉末铺展一扫描最上层一降低??构建板的过程重复进行，直到零件完成。整个过程的操作环境最佳真空度小于??１（Ｔ２?Ｐａ，通过在熔化过程中向工作区注入氦气，系统内的压力增加到约ＩＰａ，从??而避免了粉末颗粒的带电，并增强了熔体的热传导和冷却［１６，１９］。??，ｌｉｂ?ｆ，??Ｉ?Ｔｒｙ?ｎｒＴＹＴＴＩ?Ｉ?￥ＹＹｙ？Ｔｒ?Ｉ?ｉ?＼?ｆ??ｆ?……??Ｉ??图１．２?ＥＢＭ机器的示意图［１５］，?１：电子枪，２：透镜系统，３：偏转透镜，４：带有原料??的粉盒，５：耙子，６：建筑构件，７：装配台。??３??
?第１章绪论???３）金属激光沉积工艺??在ＬＭＤ工艺中，零件是通过熔化金属表面和同时施放金属粉末来制造的。??熔池的能量来自于Ｎｄ：ＹＡＧ、二极管或Ｃ０２激光器，并通氩气或氦气保护以防止??氧化，金属粉末由同轴的多个喷嘴供给［２２＿２３］。与基于粉末床的技术相比，ＬＭＤ??具有较高的制备速度并可以制备更大体积的零部件。通过调控ＬＭＤ过程的主要??参数如光斑大孝扫描速度和激光功率等，ＬＭＤ的制备速度可以高达３００?ｃｍ３／ｈ。??具体的设备示意图如图１．３所示。??ＬＡＳＥＲ?Ｂｅａｍ?Ｇｕｉｄａｎｃｅ?Ｓｙｓｔｅｍ??■■Ｉ?Ｘ??Ｗ［?Ｃａｒｒｉｅｒ?Ｇａｓ??Ｗｒ＼??Ｌｅｎｓ??ｍ?ｍｍ?ＰＯＷＤＥＲ?ＳＵＰＰＬＹ??ＤＥＰＯＳＩＴＯＮ?ＨＥＡＤ?＾Ｘ，，，?＾??ＡＭ?ＤＥＰＯＳＩＴ??ｉ?ｉ??图１．３?ＬＭＤ设备示意图［２２］。??以上三种基于高能束流的增材制造技术目前己经得到了深入的研宄和广泛??的应用。目前，钛及其合金、钢、某些铝合金和钴合金、镍合金以及镁合金材料??己可以使用这些方法制备并优化［２４］。其中，钛及其合金是各种行业中常用的高性??能材料［２５＿２６］，它们的特点是加工成本高，采用传统制造方法的加工周期长，通过??增材制造方法可以实现以较低的成本生产非常复杂的结构并减少材料的浪费。目??前增材制造制备丁丨［１３］和Ｔｉ６Ａ１４Ｖ［２７］在航空航天和生物医学领域的得到了广泛的??商业应用。除此之外，增材制造技术还常用于制备奥氏体不锈钢［２８１、马氏体时效??钢［２９］、沉淀硬化不锈钢［３（）］和工具钢［３１］等。增材制造制备的镇基高温合金（Ｉｎｃｏｎｅｌ??６２５［
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属增材制造技术的研究进展[J]. 何建斌,许燕,周建平,鲍阳. 机床与液压. 2020(02)
[2]Effects of Dissimilar Alumina Particulates on Microstructure and Properties of Cold-Sprayed Alumina/A380 Composite Coatings[J]. Xiang Qiu,Naeem ul Haq Tariq,Lu Qi,Jun-Rong Tang,Xin-Yu Cui,Hao Du,Ji-Qiang Wang,Tian-Ying Xiong. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2019(12)
[3]Solid-state additive manufacturing and repairing by cold spraying:A review[J]. Wenya Li,Kang Yang,Shuo Yin,Xiawei Yang,Yaxin Xu,Rocco Lupoi. Journal of Materials Science & Technology. 2018(03)
[4]基于电弧的金属增材制造技术研究现状[J]. 王世杰,王海东,罗锋. 金属加工(热加工). 2018(01)
[5]大压下量轧制喷射成形5A12铝合金的显微组织演变及强化机制（英文）[J]. 范才河,陈喜红,周新鹏,欧玲,阳建君,彭英彪. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017(11)
[6]Sr变质及固溶时效对铝硅合金组织和性能的影响[J]. 谈淑咏,杜舜尧,王晓慧,张磊,朱雪锋. 热加工工艺. 2015(22)
[7]激光扫描共聚焦显微镜的基本原理及其使用技巧[J]. 李叶,黄华平,林培群,崔艳梅,李勤奋,郑勇奇. 电子显微学报. 2015(02)
[8]高分辨透射X射线三维成像在材料科学中的应用[J]. 王绍钢,王苏程,张磊. 金属学报. 2013(08)
[9]Numerical investigation of the rebounding and the deposition behavior of particles during cold spraying[J]. Xianglin ZHOU*,Xiangkun WU,Jianguo WANG and Jishan ZHANG State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2011(01)
[10]颗粒材料特性对冷喷涂撞击行为影响的模拟研究[J]. 周香林,苏贤涌,崔华,郭辉华,巫湘坤,张济山. 金属学报. 2008(11)
本文编号：3444877
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：115 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１?ＬＢＭ机器的示意图（左），以及零件制备迭代的三个流程步骤的示意图（右）
?第１章绪论???１．２所示。粉末层的厚度一般为５０￣２００?ｐｍ，根据设置好的ＣＡＤ数据采用电子束??为热源熔化粉末。电子束在电子枪中产生，然后以６０?ｋｖ的加速电压加速，通过??电磁透镜聚焦，通过磁扫描线圈定向到板上ｘ－ｙ平面上所需的位置［１６］。电子束的??功率、聚焦和扫描速度分别取决于选择的束流、聚焦偏移和速度函数［１７］。首先，??用散焦光束对粉床表面进行多次扫描，对粉床进行预热。根据文献报道，当采用??高达３０?ｍＡ的高射束电流和大约１０４?ｍｍ／ｓ的扫描速度时，Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ的粉末材料??的温度可以达到７００°Ｃ以上［１８＿２（）］，而Ｃｕ的温度可以达到５５０°Ｃ［２１］。然后进行熔??体扫描过程，为了保证金属粉末的完全熔化，在扫描中，按照一定的扫描顺序，??将扫描速度和波束电流分别降低到１〇２?ｍｍ／ｓ和５？１０?ｍＡ左右［１９］。与ＬＢＭ工艺??类似，随后将构建板放低，并继续输送金属粉末。粉末铺展一扫描最上层一降低??构建板的过程重复进行，直到零件完成。整个过程的操作环境最佳真空度小于??１（Ｔ２?Ｐａ，通过在熔化过程中向工作区注入氦气，系统内的压力增加到约ＩＰａ，从??而避免了粉末颗粒的带电，并增强了熔体的热传导和冷却［１６，１９］。??，ｌｉｂ?ｆ，??Ｉ?Ｔｒｙ?ｎｒＴＹＴＴＩ?Ｉ?￥ＹＹｙ？Ｔｒ?Ｉ?ｉ?＼?ｆ??ｆ?……??Ｉ??图１．２?ＥＢＭ机器的示意图［１５］，?１：电子枪，２：透镜系统，３：偏转透镜，４：带有原料??的粉盒，５：耙子，６：建筑构件，７：装配台。??３??
?第１章绪论???３）金属激光沉积工艺??在ＬＭＤ工艺中，零件是通过熔化金属表面和同时施放金属粉末来制造的。??熔池的能量来自于Ｎｄ：ＹＡＧ、二极管或Ｃ０２激光器，并通氩气或氦气保护以防止??氧化，金属粉末由同轴的多个喷嘴供给［２２＿２３］。与基于粉末床的技术相比，ＬＭＤ??具有较高的制备速度并可以制备更大体积的零部件。通过调控ＬＭＤ过程的主要??参数如光斑大孝扫描速度和激光功率等，ＬＭＤ的制备速度可以高达３００?ｃｍ３／ｈ。??具体的设备示意图如图１．３所示。??ＬＡＳＥＲ?Ｂｅａｍ?Ｇｕｉｄａｎｃｅ?Ｓｙｓｔｅｍ??■■Ｉ?Ｘ??Ｗ［?Ｃａｒｒｉｅｒ?Ｇａｓ??Ｗｒ＼??Ｌｅｎｓ??ｍ?ｍｍ?ＰＯＷＤＥＲ?ＳＵＰＰＬＹ??ＤＥＰＯＳＩＴＯＮ?ＨＥＡＤ?＾Ｘ，，，?＾??ＡＭ?ＤＥＰＯＳＩＴ??ｉ?ｉ??图１．３?ＬＭＤ设备示意图［２２］。??以上三种基于高能束流的增材制造技术目前己经得到了深入的研宄和广泛??的应用。目前，钛及其合金、钢、某些铝合金和钴合金、镍合金以及镁合金材料??己可以使用这些方法制备并优化［２４］。其中，钛及其合金是各种行业中常用的高性??能材料［２５＿２６］，它们的特点是加工成本高，采用传统制造方法的加工周期长，通过??增材制造方法可以实现以较低的成本生产非常复杂的结构并减少材料的浪费。目??前增材制造制备丁丨［１３］和Ｔｉ６Ａ１４Ｖ［２７］在航空航天和生物医学领域的得到了广泛的??商业应用。除此之外，增材制造技术还常用于制备奥氏体不锈钢［２８１、马氏体时效??钢［２９］、沉淀硬化不锈钢［３（）］和工具钢［３１］等。增材制造制备的镇基高温合金（Ｉｎｃｏｎｅｌ??６２５［
【参考文献】：
期刊论文
[1]金属增材制造技术的研究进展[J]. 何建斌,许燕,周建平,鲍阳. 机床与液压. 2020(02)
[2]Effects of Dissimilar Alumina Particulates on Microstructure and Properties of Cold-Sprayed Alumina/A380 Composite Coatings[J]. Xiang Qiu,Naeem ul Haq Tariq,Lu Qi,Jun-Rong Tang,Xin-Yu Cui,Hao Du,Ji-Qiang Wang,Tian-Ying Xiong. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2019(12)
[3]Solid-state additive manufacturing and repairing by cold spraying:A review[J]. Wenya Li,Kang Yang,Shuo Yin,Xiawei Yang,Yaxin Xu,Rocco Lupoi. Journal of Materials Science & Technology. 2018(03)
[4]基于电弧的金属增材制造技术研究现状[J]. 王世杰,王海东,罗锋. 金属加工(热加工). 2018(01)
[5]大压下量轧制喷射成形5A12铝合金的显微组织演变及强化机制（英文）[J]. 范才河,陈喜红,周新鹏,欧玲,阳建君,彭英彪. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2017(11)
[6]Sr变质及固溶时效对铝硅合金组织和性能的影响[J]. 谈淑咏,杜舜尧,王晓慧,张磊,朱雪锋. 热加工工艺. 2015(22)
[7]激光扫描共聚焦显微镜的基本原理及其使用技巧[J]. 李叶,黄华平,林培群,崔艳梅,李勤奋,郑勇奇. 电子显微学报. 2015(02)
[8]高分辨透射X射线三维成像在材料科学中的应用[J]. 王绍钢,王苏程,张磊. 金属学报. 2013(08)
[9]Numerical investigation of the rebounding and the deposition behavior of particles during cold spraying[J]. Xianglin ZHOU*,Xiangkun WU,Jianguo WANG and Jishan ZHANG State Key Laboratory for Advanced Metals and Materials,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2011(01)
[10]颗粒材料特性对冷喷涂撞击行为影响的模拟研究[J]. 周香林,苏贤涌,崔华,郭辉华,巫湘坤,张济山. 金属学报. 2008(11)
本文编号：3444877
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