热处理对选区激光熔化Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能和腐蚀行为的影响

以Al-4.77Mn-1.37Mg-0.67Sc-0.25Zr(质量分数,%)合金粉末为原料,在激光功率330 W和扫描速率700 mm/s下进行选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)形成SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金,结合慢应变速率拉伸实验、电化学测试、析氢浸泡实验及显微组织表征手段,分析了(350℃,8 h)热处理对SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能和腐蚀行为的影响。结果表明:SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金力学性能优异,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为423 MPa、376 MPa和25.1%。热处理后,SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金晶内析出大量针棒状纳米Al_(6)Mn相,抗拉强度和屈服强度分别提升至509 MPa和478 MPa。此外,SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金具有良好的耐蚀性能,热处理可以促进SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的钝化,在-0.5 V极化电位时出现钝化台阶,降低SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的电流密度,增加SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的阳极极化率,使SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的平均析氢速率从0.242 mL/(cm^(2)·h)降至0.216 mL/(cm^(2)·h),应力腐蚀敏感因子从3.379%降至0.405%。与此同时,热处理也促进了晶内微米富Si相以及晶界富Mn相和Mg相的析出,增加了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金点蚀形核位置,增大了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的晶界电化学成分非均匀性,降低了SLM Al-Mn-Mg-Sc-Zr合金的点蚀和晶间腐蚀抗力。

热处理对选区激光熔化Co-Cr合金微观组织与力学性能的影响

热处理不仅可以消除激光增材制造材过程中的热应力,还可以调控材料组织结构和力学性能。本文研究了选区激光熔化Co-Cr合金微观组织在不同热处理条件下的变化及其相应的力学性能。研究发现,打印态下合金组织为γ奥氏体,基体中存在大量层错和亚晶界组织,以及少量四方σ-CoCr沉淀相;在1150℃下保温1 h,发生γ-ε转变,ε马氏体含量为10.4%(V/V),同时沉淀相由四方σ相转变为六方Co_(3)W(Mo)_(2)Si相;再经过800℃处理2 h后,马氏体含量进一步增加至15.5%(V/V),同时沉淀相数量增加且尺寸增大。热处理后的沉淀相对力学性能影响显著,材料的硬度从31 HRC提高至38 HRC,屈服强度从848 MPa提高至1119 MPa。本研究可以为研究激光选区熔化Co基合金组织与性能调控提供参考。

选区激光熔化AlSi10Mg蜂窝夹层管制备及其力学性能研究

目的研究SLM工艺参数对蜂窝夹层管残余应力、变形以及力学性能的影响。方法采用正交试验法研究了不同工艺参数对选区激光熔化成形零件残余应力和变形的影响。通过有限元模拟的方法,仿真AlSi10Mg蜂窝夹层管的3D打印过程,得到成形管件的残余应力分布及变形程度。制备蜂窝夹层管3D打印试样,将实心管作为对照组,对比测试管件在轴向压缩、径向压缩及三点弯曲条件下的力学性能。结果激光功率对残余应力和变形的影响最大。采用最优参数组合打印的管件微观形貌中不同熔池之间呈现出相互交错的结构,致密度达99.78%。轴向压缩中实心管的承载极限为497 MPa,蜂窝夹层管的最大承载极限为390 MPa。在径向压缩条件下,蜂窝夹层管承载能力是实心管的86.62%。在三点弯曲试验中蜂窝夹层管出现2次波峰,承载极限为52 MPa,与实心管的承载极限非常接近。结论确定最优参数组合为:激光功率200 W、扫描速度1200 mm/s、扫描间距100μm,蜂窝隔板厚度0.6 mm、蜂窝孔对边距离5 mm。相同尺寸的蜂窝夹层管相较于实心管质量可以降低22.68%,其力学性能降低并不明显。

选区激光熔化成形铜合金研究进展

铜合金具有良好的导电导热性,是众多行业的基础材料,随着高新技术的迅速发展,许多行业对高性能、高精度、复杂结构铜合金零部件需求日益增大。传统工艺可制备常规铜合金零件,但对于一些复杂结构铜合金零部件的制备存在困难。首先,本文综述了选区激光熔化成形铜及铜合金的研究进展,系统介绍了目前选区激光熔化成形纯铜所遇到的难点及解决方法;然后,综述了目前选区激光熔化成形不同系列铜合金的研究现状,重点介绍了不同系列铜合金成形件微观组织和力学性能及热处理后成形件微观组织和力学性能变化;最后总结了选区激光熔化成形铜及铜合金存在的问题及未来的研究方向。

激光熔化沉积Al-Mg-Sc-Zr合金单熔道成形质量预测

本研究探讨了激光熔化沉积(LMD)工艺参数对Al-Mg-Sc-Zr合金单熔道成形质量的影响,并采用BP神经网络模型和改进的PSO-BP神经网络模型预测了不同工艺参数下的成形孔隙率。结果表明:Al-Mg-Sc-Zr合金的LMD单熔道成形孔隙率,随着激光线能量密度的增加呈现先上升后下降再上升的趋势,在175 J/mm^(2)时孔隙率达到最小值,仅为1.38%。在相同的送粉工艺参数下,LMD成形熔道宽度和熔道深度均与激光功率呈现出正相关性,而熔道高度和熔道深度均与扫描速率呈现出负相关性。相较于BP神经网络模型,改进的PSO-BP神经网络模型的平均绝对误差降低了29.69%,平均相对误差降低了19.42%,均方误差降低了19.02%,相关系数提升了63.44%。

基于选区激光熔化镍基单晶高温合金的修复

选区激光熔化技术光斑和热影响区小,成形精度高,可对镍基单晶高温合金叶片进行有效的修复以延长使用寿命。本工作选用了一种具有中等体积分数γ′相的合金粉末,研究了在单晶CM247LC基板上进行外延生长过程中该合金粉末的显微组织演变规律以及力学性能。结果表明:修复界面的熔池宽深比大于4时,沉积区与基体能形成良好的结合界面以及较小的晶粒取向差。通过增大扫描速率和降低激光功率可以有效减小沉积区裂纹密度,沉积组织以沿沉积方向生长的柱状枝晶为主,沉积层越高,冷却速率越小,枝晶间距和晶粒取向差越大。通过打印参数优化,最终得到了裂纹密度低、晶粒取向单一、且与单晶基板结合优异的镍基单晶高温合金沉积层,其抗拉强度为1094 MPa,伸长率为21%。

激光熔化沉积Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金的组织与性能

本工作通过激光熔化沉积技术制备了Al_(x)CoCrFeNi(x=0,0.3,0.5)系高熵合金,并研究了Al的添加对激光熔化沉积CoCrFeNi合金的物相结构、组织形貌及性能的影响规律。研究结果表明:Al_(0)与Al_(0.3)高熵合金的微观结构为单相FCC结构固溶体,而Al_(0.5)高熵合金的微观结构为在FCC相基底的晶界/枝晶界处析出富集Al、Ni原子的B2相。合金样品的拉伸力学性能表明:Al_(0.5)CoCrFeNi高熵合金的屈服强度达到了原合金的2.66倍(140~372 MPa),抗拉强度达到约716 MPa,延伸率约为40%;电化学极化曲线分析表明,Al_(x)CoCrFeNi系高熵合金在1 mol/L的H_(2)SO_(4)溶液中均具有显著的稳定钝化区,Al添加引起的致钝电流和维钝电流随着Al含量的增加呈现先减小后增大的趋势。

退火温度对激光熔化沉积TC31高温钛合金组织与性能的影响

为改善激光熔化沉积TC31高温钛合金力学性能,本文通过光学显微镜、SEM、TEM和力学性能测试的方法研究了退火温度对合金中组织演化行为的影响,及其与合金室温和650℃高温力学性能的关系。结果表明:组织中初生α相含量随着退火温度升高而降低,其溶解主要发生在950℃以上,980℃退火后含量仅为29%。当退火温度超过930℃时,初生α相片层宽度明显增加。随着退火温度升高,α/β界面处析出的(Ti,Zr)6Si3相尺寸增加,且进入α相片层内部。合金在800~1000℃退火时,合金室温拉伸屈服强度随退火温度升高趋于降低。受相界面析出的硅化物聚合长大及α相片层尺寸增加等因素影响,合金高温屈服强度随退火温度升高先降低后增加。合金经过1000℃退火后,呈现良好的高温性能,其650℃下抗拉强度达657 MPa、屈服强度约为466 MPa、延伸率27%。

选区激光熔化成形NiTi合金工艺参数对表面粗糙度的影响规律

目的针对选区激光熔化(SLM)制备NiTi形状记忆合金表面粗糙度难以满足实际应用要求,通过优化工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距)以有效地降低表面粗糙度以及研究各工艺参数对表面粗糙度的影响规律。方法采用L16正交阵列的田口模型设计选区激光熔化制备NiTi样品的工艺参数,通过对表面粗糙度信噪比值进行统计方法分析以及样品表面形貌的表征,研究不同工艺参数对表面粗糙度的影响程度以及影响机理,最终优化出制备低表面粗糙度的工艺参数组合。结果在激光功率为20 W和30 W时,NiTi粉末不能够充分熔化造成熔道不连续,使得样品表面起伏增大,粗糙度值最大到7.8μm;增大激光功率到40W和50W时,粉末充分熔化,样品表面形貌明显改善;在相同功率下,扫描速度从200mm/s增加到500mm/s时,样品的粗糙度值也随之增大。结论工艺参数对表面粗糙度影响的重要性顺序依次为激光功率、扫描速度、扫描间距;最终优化出的工艺参数组合为激光功率50W、扫描速度200mm/s、扫描间距0.07mm,并在该工艺参数下制备的样品表面粗糙度值为1.38μm,与模型预测的值1.43μm接近,相差仅为9.97%。

激光功率对选区激光熔化成形CeB_(6)/AlSi10Mg力学性能的影响

用选区激光熔化成形方法在不同激光功率下制备了CeB6/AlSi10Mg合金,借助激光共聚焦检测仪、光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和万能试验机研究了合金表面的显微组织、粗糙度、致密度和力学性能。结果表明:当激光能量密度为64.81 J/mm3时,合金表面的显微组织缺陷最少,三维表面粗糙度最小,致密度最大。添加CeB6有利于提高合金的微结构。在合适的成形参数下,添加CeB6的AlSi10Mg合金的抗拉强度明显高于未添加的AlSi10Mg合金。

热处理对选区激光熔化制备的点阵结构性能影响研究

选区激光熔化(SLM)技术因其独特的成形原理成为制备复杂点阵结构的理想工艺。以钛合金骨架和片状结构为研究对象,通过数值仿真和试验相结合的方法,分析了热处理工艺对结构微观组织、力学性能、断裂机制及吸能特性的影响规律。结果表明,固溶时效热处理后钛合金中α+β相均匀分布,固溶温度的增加会使片状α'相马氏体逐渐减少而β相增多;不同热处理状态下片状结构压缩强度为骨架结构的1.81~2.17倍,平台应力为后者的3.1倍,但两者弹性模量相当,同时热处理工艺对骨架结构力学性能影响较小而对片状结构影响较大;两类结构都表现出了45°结对角剪切断裂和断裂带传递的现象;骨架结构能量吸收效率远大于片状结构,但累积能量吸收量较低,热处理工艺没有提高被测结构的吸能性能。

结构参数对选区激光熔化成形AlSi10Mg金刚石点阵结构拉伸性能的影响

选区激光熔化制备金属点阵结构由于具有结构设计自由度大、成形零件具有轻量化、缓冲吸震、隔热散热等优势在航空航天等领域具有广泛的工程应用前景。随着应用的不断拓展,对点阵结构的拉伸性能也提出了要求。通过有限元模拟,研究了金刚石单元结构参数对Al Si10Mg点阵结构拉伸性能的影响,并进行了试验验证。结果表明:所设计的点阵结构成形效果较好,具有稳定的力学性能;支杆杆径和孔隙率对点阵结构抗拉强度存在显著影响;随着支杆长径比的减小,点阵结构应力集中区域由节点处向支杆中间位置移动,长径比在1.4左右时点阵结构具有较为均匀的应力分布;在点阵结构外层包裹薄壳结构,可使点阵结构整体应力分布更为均匀。试验与仿真结果相吻合,可通过有限元方法对点阵结构的拉伸性能和变形失效方式进行有效预测。

选区激光熔化扫描间距对AlSi10Mg合金致密度的影响

在确保熔池的稳定性基础上,采用AlSi10Mg合金单道选区激光熔化(SLM)试验确定了激光功率和扫描速度的合理范围,分别为150~180 W,600~1200 mm/s。选择180 W、800 mm/s,以及170 W、600 mm/s两组参数进行多道多层SLM试验,研究扫描间距(0.05~0.16 mm)对合金致密度的影响,以及扫描间距和拉伸方向对拉伸力学性能的影响。结果表明:致密度随着扫描间距的增加呈现先增加后减小的趋势。过小的扫描间距会产生球化颗粒,恶化致密度;而扫描间距过大时,熔池的搭接区下方会有未熔化粉末,降低了致密度。当拉伸方向和扫描方向垂直时,合金的抗拉强度和伸长率随着扫描间距的减小而略微增加,而且合金的拉伸性能明显好于拉伸方向和扫描方向平行时的。

选区激光熔化成形铝合金材料体系研究进展

铝合金是工业生产中运用最为广泛的金属材料,高比强度、良好的耐蚀性使其适用于生产各种复杂结构件。选区激光熔化技术不仅具有定制化成形能力,高加工精度与短生产周期也可大幅推进铝合金构件的成形与应用。本文介绍了近年来选区激光熔化铝合金的研究进展,简述了选区激光熔化技术所生产铝合金的工艺缺陷及形成机理,聚焦于不同合金的组织演变和力学性能,着重分析不同合金体系下元素对微观形貌的影响及强化效应。针对选区激光熔化铝合金的应用现状与存在壁垒,指出实现普及的关键在于通过成分设计实现成形性能与力学性能的平衡。

激光熔化沉积30CrNi2MoVA温度场数值模拟研究

30CrNi2MoVA钢被广泛用于军工炮管制备,由于工作环境恶劣,其零件表面易出现磨损、裂纹等损伤,常采用激光熔化沉积技术(laser melting deposition,LMD)完成表面修复工作。LMD过程中的热行为决定了材料组织演变从而影响零件的表面质量及力学性能。基于ABAQUS搭建LMD过程30CrNi2MoVA钢的温度场有限元模型。研究LMD过程中温度场的分布以及加工工艺参数对温度场的影响,分析了薄壁件沉积过程中的热历史及传热特征,并设计了相关实验验证模型的适用性。结果表明:LMD温度场沿扫描方向呈对称分布,激光功率每增大100 W,熔池最高温度增加约40℃,扫描速度则相反。随着沉积层数上升,热积累效应增大,熔池峰值温度升高,冷却速度降低。

选区激光熔化成形FeCrNi中熵合金点阵结构及其力学性能

金属点阵结构材料由于其轻量化、高比强度、能量吸收和多孔性等优势,广泛应用于航空航天、汽车工业等领域。以高强韧FeCrNi中熵合金(medium entropy alloy,MEA)为研究对象,采用选区激光熔化(selective laser melting,SLM)技术制备了具有BCC,BCCZ,FCC,FCCZ四种仿晶格结构的FeCrNi中熵合金点阵结构材料,对其显微组织、力学性能及变形行为进行了系统研究。结果表明,采用SLM技术制备的FeCrNi中熵合金点阵结构节点搭接质量高,熔池交错堆叠致密,晶粒均匀细小。在相对密度相近时,BCC,FCC,BCCZ,FCCZ点阵结构的比强度和比能量吸收值依次升高。具有FCCZ点阵结构的FeCrNi中熵合金材料的比能量吸收值达到49.8 J·g^(-1),显著高于Ti6Al4V及316L不锈钢点阵材料。有限元模拟分析表明,Z型支柱的存在增加了点阵材料的表观强度和刚度,并导致变形行为由结点弯曲主导向拉轴向压缩主导转变,是FCCZ点阵结构强度提升的主要原因。

选区激光熔化6511SS/GH3536多材料界面特性和力学性能研究

目的考虑不同材料对应的最优工艺参数的差异,研究材料的沉积顺序对多材料界面特性的影响,获得界面无明显缺陷、力学性能良好的多材料部件。方法采用SLM制备6511不锈钢/GH3536高温合金/6511不锈钢多材料试样,研究材料的沉积顺序对界面特性的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散光谱(EDS)、X射线衍射(XRD)观察界面微观结构和元素分布情况。通过显微硬度和拉伸实验表征界面的力学性能。结果采用SLM制备的多材料试样的界面无明显缺陷,表明6511不锈钢(6511SS)和GH3536高温合金具有良好的冶金结合特性。由于6511SS与GH3536的最优工艺参数存在差异,GH3536/6511SS的界面扩散区(480μm)宽于6511SS/GH3536的界面扩散区(330μm)。6511SS/GH3536扩散区的硬度介于6511SS与GH3536之间,而GH35636/6511SS扩散区的硬度小于6511SS和GH3536的硬度。拉伸实验结果表明,多材料试样在GH3536高温合金处断裂,其极限拉伸强度与GH3536高温合金相当,多材料试样的断裂伸长率低于GH3536高温合金试样的断裂伸长率。结论证明了采用SLM制备6511不锈钢和GH3536高温合金多材料零件的可行性,揭示了沉积顺序对界面微观结构和力学性能的影响,可为SLM制造多材料零件提供指导和参考。

选区激光熔化成形304L不锈钢氦泡长大与辐照硬化行为

采用350 keV He+离子束在300℃下对沉积态和固溶态选区激光熔化成形(Selective laser melting,SLM)304L不锈钢进行辐照,辐照剂量为5×10^(16)ions/cm^(2),随后进行600℃保温1 h退火处理。利用透射电子显微镜(TEM)、正电子湮灭和纳米压痕仪研究氦泡的长大与材料硬化行为。系统对比了沉积态和固溶态两种状态的SLM 304L样品,结果表明:600℃退火处理时,沉积态SLM 304L不锈钢表现出优异的抗氦泡粗化能力,主要是由于沉积态样品中高密度位错和纳米析出物-基体界面等作为缺陷阱,有效抑制氦泡生长。此外,沉积态样品比固溶态样品具有更高的抗辐照硬化性能,退火处理后两者的硬化率分别为19%和51%。Orowan模型的计算表明,氦泡粗化程度的差异是造成两种状态下SLM 304L不锈钢硬化率不同的主要原因。

选区激光熔化制备HastelloyX合金耐腐蚀性能研究

目的研究低电流密度下电化学加工过程中选区激光熔化(SLM)制备HastelloyX合金微观组织结构对其耐腐蚀特性的影响,为抑制低电流密度条件下电化学加工HastelloyX合金表面杂散腐蚀奠定理论基础。方法利用配备有电子背散射衍射系统的扫描电子显微镜和电子探针X射线显微分析仪研究SLM制备和锻造成形的Hastelloy X合金微观结构的差异,对比开路电位和极化曲线的测量结果,确定低电流密度下的ECM最优工艺参数,分析2种成形工艺制备HastelloyX合金动电位极化曲线中的关键电化学参数,获得低电流密度下ECM过程中微观组织特征对SLM制备和锻造HastelloyX合金耐蚀性能的影响规律。结果与商用锻造HastelloyX合金相比,SLM制备HastelloyX合金具有精细的晶粒尺寸以及更小的再结晶比例,锻造HastelloyX合金晶界和晶内析出了大量弥散分布的M_(23)C_(6)型碳化物。在优化的工艺参数条件下,SLM制备Hastelloy X合金在36℃的10%(质量分数)NaNO_(3)电解液中具有较小的自腐蚀电流密度(2.01×10^(-6)A/cm^(2))和钝化电流密度(3.01×10^(-5)A/cm^(2))。结论SLM制备HastelloyX合金在电化学加工过程中具有较高的耐腐蚀性能,能有效抑制杂散腐蚀现象,进而达到提高加工精度的目的。通过分析微观组织对SLM制备Hastelloy X合金耐腐蚀特性的影响规律,为电化学加工过程中抑制镍基高温合金的杂散腐蚀现象奠定了基础。

选区激光熔化成形2%TiB_(w)/TA15复合材料的显微组织与性能

本文通过选区激光熔化成形技术(Selective laser melting,SLM)制备原位自生2%(体积分数)TiB_(w)/TA15钛基复合材料,探究激光功率和扫描速率对该复合材料的显微组织和室温/高温力学性能的影响规律,并揭示其强化机理。结果表明:SLM-2%TiB_(w)/TA15复合材料中存在孔隙缺陷,其数量随激光功率的降低和扫描速率的增大而增加。该复合材料基体由一定生长方向的原始柱状β晶和细小层片状α相组成,TiB晶须呈弥散分布;其抗拉强度随激光功率的增大而减小,随扫描速率的增大而增大,最高室温抗拉强度为1337.8 MPa,与SLM-TA15合金相比提高了15.1%;600℃抗拉强度最高值为651.1 MPa,与SLM-TA15合金相比提高了10.1%。复合材料的维氏硬度最高为403.21HV,显著高于SLM-TA15合金(345.3HV)。该复合材料强度提升的主要强化机制为载荷传递强化、热错配强化和细晶强化。