基于增材制造的原位合金化制造方法的研究进展

基于增材制造的原位合金化方法是利用激光或电子束将多种元素粉或多种预合金粉的混合粉末熔化,使材料同时进行合金化和致密化的一种成本低廉、快速高效的开发新材料的方法,已经在高熵合金开发、新型生物医用合金打印件开发等领域得到初步应用。总结了混合粉末的形貌、粒径、高熔点粉末含量及粉末混合技术对原位合金化打印件性能的影响的研究结果。研究表明,混合粉末的颗粒级配需要同时保证元素混合均匀性和粉末流动性,才能保证原位合金化打印效果。激光功率、束斑直径、重熔工艺等打印参数对熔池几何特征影响很大,继而也强烈影响原位合金化的效果。熔池深度越大,越能保证打印过程中的层间重熔,促进元素均匀,但过深的熔池会造成孔隙。还介绍了基于原位合金化打印制备具有成分波动或成分梯度的合金材料的研究进展。原位合金化工艺本身固有的成分不均匀性有助于制备成分不均匀的合金,从而获得具有双相结构的打印件,这是基于预合金粉打印无法得到的。基于多材料及多相流模型,原位合金化粉床激光熔融过程的数值模型也被研究者建立,模拟得出的原位合金化的增材制造工艺优化参数与针对预合金粉打印的差别很大。最后对增材制造原位合金化技术的应用前景和面临的挑战作出了展望。

原位合金化和原位颗粒共同强化铝基复合材料的微观组织

制备了Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ－Ｃｕ和Ａｌ２Ｏ３／Ａｌ－Ｃｕ－Ｓｉ原位复合材料，采用ＳＥＭ观察显微组织，ＸＲＤ分 析物相，ＥＤＳ分析相所含元素．初步结果表明，原位合金化和原位颗粒共同强化金属基体是可 行的，合金元素Ｃｕ和Ｓｉ出现在基体中，细小增强颗粒Ａｌ２Ｏ３呈弥散分布．

MGH956合金TIG焊原位合金化对其组织性能的影响

采用TIG焊对氧化物弥散强化(ODS)高温合金MGH956进行原位合金化焊接.在相同的焊接条件下,填加两种不同的填充材料:与母材化学成分相似的基体填充材料,以及在基体填充材料基础上加入了合金元素Al和Fe2O3的Al-Fe2O3填充材料.通过对比分析两组试样在焊接过程中发生的原位合金化反应机理,及其对焊缝微观组织和力学性能的影响,研究原位合金化反应对ODS合金TIG焊接头组织与性能的影响.结果表明:在填充材料中加入Al和Fe2O3合金元素时,焊缝处的气孔数量明显减少,气孔尺寸也较为减小;焊缝中原位生成了新的增强相颗粒Al2O3、TiC以及YAlO3,同时,基体中的纳米级增强相Al-Y复合氧化物团聚倾向降低.力学性能试验结果表明,填加Al-Fe2O3填充材料时焊缝显微硬度值明显提高,接头抗拉强度达到了578 MPa,为母材强度的80.3%.

热处理对MGH956合金TIG原位合金化焊接的焊缝组织的影响

MGH956合金TIG原位合金化焊接后焊缝中合金元素易烧损,强化颗粒易聚集,研究了一种热处理方法对焊缝的组织的影响。焊接填充材料的ωV=2.0%,热处理条件为700℃保温2h后空冷。焊缝热处理后,晶界上的偏聚明显减少,在晶粒内部生成更多的细小弥散分布的颗粒,EDS分析主要为YAlO3、TiC和TiN颗粒,此外还有(Ti,V)C复合颗粒,由于VC比TiC与铁基的润湿角更小,复合颗粒与焊缝基体结合更好。通过原子探针分析,热处理后,焊缝中Y元素的偏聚减少,进而减少焊缝的气孔量,最终提高焊缝的性能。

V对MGH956合金TIG原位合金化焊接接头组织与性能的影响

为改善MGH956合金TIG焊焊缝的组织与性能,采用原位合金化方法对该合金进行TIG焊接。对比不同含量V的填充材料对焊缝组织与性能的影响,并讨论了V的作用机理。OM和SEM结果表明:填充材料中添加不同含量的V后,组织出现了不同程度的细化及均匀化,当wV=1.5%时,晶粒最细、尺寸均匀,同时焊缝中的气孔量有所减少;对焊缝中的颗粒进行物相鉴定可知,除了有YAlO3,TiC和TiN颗粒生成外还有(Ti,V)C复合颗粒生成。由TEM观察显示wV=1.5%时,焊缝内的碳化物颗粒与焊缝基体结合良好,且wV=1.5%时,接头强度最高,并实现了接头断裂方式由完全脆性断裂转变为韧性断裂。

电子显微镜在金属-半导体纳米线界面原位合金化中的应用

利用原位电子显微方法研究了金属-ZnSe半导体纳米线界面合金化过程,结果表明:在脉冲电流的作用下,ZnSe纳米线可以产生明显的焦耳热效应,导致金属-ZnSe纳米线界面发生合金化反应。通过调整纳米线与金属电极的接触面积,可将焦耳热效应准确控制在界面内,进而实现纳米尺度的合金化反应。

微量TiC粉末合金化改善电弧增材制造Ti-6Al-4V合金的组织和性能

原位合金化是调控增材制造钛合金微观组织和力学性能的有效方法,文中研究了添加微量TiC粉末对电弧增材制造Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响.结果表明,添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金中的柱状β晶粒尺寸减小,α-Ti相细化,微观组织为精细的网篮组织,抗拉强度和断后伸长率达到了1029 MPa和14.8%,分别提高了12.8%和26.5%,实现了电弧增材制造Ti-6Al-4V合金强度和塑性的协同改善.同时,沉积合金的显微硬度提高至362.9HV,相比Ti-6Al-4V合金提高了11.4%.通过电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)分析得出,TiC粉末的添加降低了沉积合金的织构强度,增加α-Ti相的取向.添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金力学性能的提高主要归因于细晶强化和固溶强化效应,其中细晶强化是主要的强化机制.对比分析两种沉积合金的拉伸试样断口得出,Ti-6Al-4V合金的断口形貌呈现出塑性-脆性混合断裂,添加质量分数0.5%TiC粉末后,断口形貌呈现出塑性断裂.证实了TiC粉末作为电弧增材制造Ti-6Al-4V合金晶粒细化剂的潜力.

304L不锈钢的激光粉末床熔融原位合金化

采用Fe、Cr和Ni单质元素混合粉末作为LPBF原材料,以原位合金化的方式制备304L不锈钢,研究了工艺参数对试样密度、微观组织、成分均匀性、相结构和显微硬度的影响,并将其与预合金粉末LPBF试样进行了对比。结果表明:原位合金化试样的致密度最高可达99.05%;随着激光能量密度增加,试样的成分均匀性逐渐提高,物相结构从面心立方+体心立方(FCC+BCC)转变为FCC;当激光能量密度为242 J/mm^(3)(P=290 W,v=500 mm/s)时,能谱分析结果显示原位合金化试样成分均匀,显微硬度为224 HV,微观形貌与预合金粉末LPBF试样一致;当激光能量密度较低时,原位合金化试样内部的多相结构以及异质形核产生的细晶结构能有效提高其硬度,硬度最高可达302 HV,较预合金LPBF试样提高了26.4%。

原位合金化双丝电弧增材制造γ-TiAl组织性能研究

采用双丝电弧增材制造(WAAM)的方法制备了Ti-48Al合金,在此基础上通过原位合金化方法制备了Ti-48Al-2Cr-2Nb金属间化合物,借助XRD、OM、SEM、微小力学拉伸以及高温氧化试验表征了2种合金的组织与性能。结果表明,2种堆积试样成分均匀,并且均由γ-TiAl和α2-Ti3Al片层组织组成,微量合金元素Cr和Nb的添加不改变合金的相组成。微小力学拉伸结果证实了Cr和Nb微量元素的添加可以显著提高合金的抗拉强度,但对塑性没有明显的影响。高温抗氧化性试验结果表明,Ti-48Al-2Cr-2Nb合金试样比Ti-48Al合金具有更优良的抗氧化性能,试样的最终增重由5.26 mg/cm^2降低至1.95 mg/cm^2。

等离子弧焊接SiCp/Al基复合材料焊缝“原位”合金化分析

采用等离子弧焊焊接SiCp/Al基复合材料,以Ar+N2为离子气,并以Ti作为合金化填充材料,研究了焊缝“原位”合金化元素Ti对焊缝显微组织的影响。结果表明,采用焊缝原位合金化方法焊接SiC颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al MMCs),可以有效抑制焊缝中针状脆性相Al4C3的形成,并且由于Ti的加入,改善了增强相和Al基体之间的润湿性,形成了稳定的熔池,得到以均匀分布的TiN、AlN等为增强相的新型铝基复合材料焊缝,焊接性能得到有效提高。同时还研究了Ti的添加量对焊缝显微组织的影响,结果发现,随着Ti含量的增加,焊缝中还生成如Ti5Si3等新的增强相。焊缝“原位”合金化等离子弧焊接是焊接SiCp/Al基复合材料的一种新方法。

原位钛合金化A356合金的组织与性能研究

研究了不同含钛量(分别为0 07%Ti、0 13%Ti、0 19%Ti)的原位钛合金化A356合金的微观组织和力学性能,并与相应含钛量熔配加钛A356合金进行了对比,发现原位钛合金化A356合金的二次枝晶臂间距小于熔配加钛合金,随着钛含量增加二次枝晶臂减小且趋势相同。较低钛含量原位钛合金化合金综合力学性能优于熔配加钛合金,但钛含量较高时两种合金的性能差别变小,甚至低于熔配加钛合金,原因在于较高钛含量的原位钛合金化合金中较高的铁含量严重降低了合金的塑性。

CrMoTi中熵合金的性能及其原位合金化增材制造

以新型模具材料为应用背景,首先从多主元合金设计的角度,预测了CrMoTi中熵合金成分,并在实验中验证了其单相bcc结构。对CrMoTi中熵合金的硬度和热学性能进行了测试。结果表明,电弧熔炼样品在室温下硬度为520.6 HV_(0.3),在600℃时硬度为356.0 HV_(0.3);在室温下比热容为371 J/(kg·K),热导率为14.0 W/(m·K)。随后以金属元素粉为原材料,对比研究了直接激光沉积(DLD)和选区激光熔化(SLM)2种增材制造技术在原位合金化成型CrMoTi中熵合金的加工适性。其中DLD样品在打印态密度最高达7.46 g/cm^(3),硬度达到634.6 HV_(0.3)。SLM的原位合金化加工适性相对较差,样品密度最高为7.27 g/cm^(3),硬度为605.9 HV_(0.3),且在其内部残留有未熔Mo粉。相比较而言,在作为模具的性能方面,CrMoTi合金表现出略优于H13钢的硬度和高温热导率。在原位合金化方面,CrMoTi合金的原料包含了熔沸点差异较大的金属元素,且形成相为硬脆bcc结构相,对增材制造技术而言有较大的加工难度,而DLD技术相对SLM表现出更好的原位合金化加工适性。

Nb合金化对电弧增材制造NiTi基形状记忆合金的影响

NiTi合金是一种应用广泛的形状记忆合金,其中Ti_(47)Ni_(44)Nb_(9)成分的合金是一种可靠的航空管接头材料.采用双丝电弧增材制造(WAAM)的方法制备了Ni_(52)Ti_(48)合金,并以Nb元素进行了原位合金化得到了Ti_(47)Ni_(44)Nb_(9)合金,研究了其典型组织、压缩性能、相变温度与形状记忆效应,分析了Nb元素的添加对WAAM镍钛合金组织及性能的影响.结果表明,加入Nb元素后,合金的组织除B2相晶粒外,还在晶界处有细小的β-Nb相析出,使得合金的压缩强度在横向与纵向上分别增加了7.9%与3.1%,形状记忆回复率则下降了4.0%,相变温度滞后从−6.4℃提升至40.9℃,使得该材料作为记忆合金管接头时更加利于储存与装配.创新点:(1)首次对WAAM镍钛合金进行了原位合金化.(2)采用双丝加箔片的工艺制备Ni_(47)Ti_(44)Nb_(9)合金.(3)通过Nb元素的加入增加了合金的相变温度滞后.

原位Al_2O_3颗粒强化铝基复合材料的研究

研究了铝熔体内的原位反应Ａｌ＋ＣｕＯ工艺对反应诱导时间、剧烈程度及产物分布的影响,结果表明随着稀释剂Ａｌ量的增多．熔体内自蔓燃反应启动越慢,剧烈程度降低,反应产物的分布朝不均匀方向变化;熔体的温度越高,反应启动得越快、越剧烈;引发剂镁粉的添加极大地缩短反应诱导时间．制备了原位Ａｌ２Ｏ３颗粒强化含不同产物Ｃｕ的铝基复合材料、ＳＥＭ观察表明铸造条件下Ａｌ２Ｏ３颗粒小于０．５μｍ,均匀地分布在材料的各种基体相上:随着Ａｌ２Ｏ３颗粒的增多．产物Ｃｕ以网状化合物形式分布,拉伸实验显示材料的塑性很低．为降低Ｃｕ量．在原反应物中混合入ＳｉＯ２粉．或采用喷射沉积快速凝固法细化组织,提高固溶量．ＳＥＭ显示网状相得到了细化和均匀分布．拉伸实验表明强度和塑性有大幅度提高．

原位铝基复合材料的制备及微观组织

提出制备原位合金化和原位反应颗粒共同强化金属基复合材料的概念，并据此制备厂原位１０％Ｃｕ（质量分数，下同）和５．３５％ａ－Ａｌ２Ｏ３颗粒增强纯铝复合材料（Ａ）以及原位１０％Ｃｕ；４％Ｓｉ和１５．０６％ａ－Ａｌ_２Ｏ_３颗粒共同增强纯铝复合材料（Ｂ）．对原位反应过程进行了热力学分析．ＳＥＭ观察和ＥＤＳ分析显示，Ａ和Ｂ中的原位反应分别生成了合金元素Ｃｕ、Ｃｕ＋Ｓｉ以及Ａｌ２Ｏ３；原位Ａｌ２Ｏ３颗粒直径小于０．５μｍ，在材料中均匀分布、ＴＥＭ观测显示Ａｌ２Ｏ３颗粒边角圆滑，与基体结合良好．探讨了原位反应的机理以及在铸造凝固过程中原位颗粒的行为．

Y_2O_3对MGH956合金的TIG焊接头组织和性能的影响

采用TIG焊对1.3mm厚的MGH956合金进行原位合金化焊接,对比研究了未添加,添加质量分数为2%,4%和6%的Y2O3对焊缝显微组织及力学性能的影响。结果表明:添加Y2O3后的焊缝组织以等轴晶为主,焊缝晶粒细小均匀,没有明显的金属氧化物聚集现象,并且有新的增强相颗粒析出。Y2O3的添加不仅细化了晶粒,还提高了接头的显微硬度和抗拉强度,从而改善了焊接接头的力学性能。Y2O3添加量为4%时接头抗拉强度最高,平均抗拉强度为605MPa,达到母材的84%。

Ti-Si-Mg-Al焊丝对SiC_p/Al基复合材料等离子弧原位焊接焊缝组织和性能的影响(英文)

研究Ti-Si-Mg-Al焊丝对等离子弧原位合金化焊接制备SiC颗粒/铝金属基复合材料的微观结构和力学性能的影响。以氩氮混合气体为离子气,采用Ti-Si-Mg-Al药芯焊丝作为填充材料,对焊接接头进行拉伸试验,并对宏观形态和微观组织进行分析。结果表明:以Ti-Si-Mg-Al药芯焊丝作为原位反应填充材料,可以有效抑制针状脆性相Al4C3的生成。以15Ti-5Si-5Mg-Al药芯焊丝作为填充材料时,焊接接头的最大抗拉强度为267MPa,达到退火条件下基体材料强度的83%。

SiCp6061Al金属基复合材料焊缝“原位”合金化激光焊接研究

以Ti作为合金化元素对SiCp 6 0 6 1Al金属基复合材料 (SiCp 6 0 6 1AlMMC)进行焊缝“原位”合金化激光焊接。研究了焊缝“原位”合金化元素Ti添加量对焊缝显微组织的影响。结果表明 ,采用焊缝“原位”合金化方法激光焊接SiCp 6 0 6 1AlMMC ,可以有效抑制焊缝中针状脆性相Al4C3 的形成 ,并获得以均匀分布TiC ,Ti5 Si3 等为增强相的新型金属基复合材料焊缝 ,焊缝“原位”合金化激光焊接是焊接SiCp Al复合材料的一种新方法。

超声频电弧对SiC_p/6061Al等离子弧焊缝微观组织的影响

应用高通滤波器原理设计了一台隔离耦合装置,实现了交流弧焊电源与高频激励源的隔离与耦合,成功在交流电弧中激励出超声波.以自主研制的Al-5Ti-5Si药芯焊丝为填充材料对SiCp/6061Al基复合材料进行等离子弧原位合金化焊接,在不同频率电弧超声作用下研究了电弧超声频率对焊缝组织的影响.对比0(不加超声),30,40,50,60 kHz超声作用下的焊缝组织发现,随着频率的提高,焊缝中的Al3Ti相形貌得以改善,从长条状变为断续短棒状;新生颗粒增强相AlN,TiN增多,且分布更为均匀;晶间偏析富Si相也随频率的提高而大幅减少.