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。

TiVNbTa高熵合金球形粉末制备及选区激光熔化成形

利用氢化脱氢、机械球磨、等离子体球化技术成功制备了TiVNbTa难熔高熵合金球形粉末,并采用选区激光熔化(SLM)技术将此球形粉末制备成TiVNbTa难熔高熵合金块体试样,研究不同SLM工艺参数对合金显微组织和力学性能的影响。结果表明:所制备的粉末球形度高、分散良好,平均粒度为48μm;SLM成形的TiVNbTa难熔高熵合金具有超细晶组织,其熔池心部为胞状晶区,熔池边缘为柱状晶区。随着激光功率的增加,合金的压缩屈服强度整体变化不大,但塑性应变呈下降趋势;然而,随着扫描速率的增加,合金的压缩屈服强度和塑性应变持续下降。当激光功率为175 W、扫描速率为400 mm/s时,沉积态合金具有最低的孔隙率,XOY面和YOZ面的孔隙率分别降低至0.26%和1.42%,压缩屈服强度σ_(0.2)为1001 MPa,最大抗压强度σ_(bc)为1741 MPa,塑性应变ε_(p)为10.0%。

激光选区熔化Al-Mg-Sc-Zr合金各向组织与损伤容限性能

研究激光选区熔化(selective laser melting,SLM)技术成形Al-Mg-Sc-Zr合金材料不同取向的显微组织特征、拉伸和损伤容限性能。结果表明:YZ截面为细小的等轴晶和粗大的柱状晶组成的双峰组织,XY截面由细小的等轴晶组成;0°和90°方向屈服强度、抗拉强度均超过500 MPa,各向异性较小,但堆积层间存在的未熔合缺陷使得90°方向断裂伸长率明显低于0°方向;0°和90°CT试样K_(IC)分别为21.41 MPa·m^(1/2)和20.89 MPa·m^(1/2),在柱状晶区域裂纹扩展阻抗低,导致90°CT试样K_(IC)稍小;显微组织和缺陷是影响裂纹扩展性能各向异性的主要因素,在近门槛区未熔合缺陷起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时裂纹扩展速率更快;在稳态扩展区显微组织的影响起主导作用,当裂纹面平行于水平方向时为穿晶断裂,裂纹扩展阻抗较高,裂纹扩展速率较低。

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。

Cr_(3)C_(2)对激光选区熔化316L合金组织及力学性能的影响

目的研究添加Cr_(3)C_(2)颗粒对激光选区熔化316L合金的硬度、强度及耐磨性能的影响。方法采用激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术制备316L合金及10%(质量分数)Cr_(3)C_(2)颗粒增强316L合金(Cr_(3)C_(2)/316L),通过X射线衍射仪(XRD)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电镜(TEM)、维氏显微硬度计、双立柱电子万能试验机和摩擦磨损试验机分别对2组合金试样的组织结构、硬度、拉伸性能以及耐磨性能进行测试与分析。结果316L合金主要由γ-Fe相组成,Cr_(3)C_(2)/316L合金中除γ-Fe相外,还存在Cr_(23)C_(6)和Cr_(3)C_(2)相。316L和Cr_(3)C_(2)/316L合金的显微组织均由柱状晶和等轴晶组成,Cr_(3)C_(2)/316L的组织中等轴晶比例增多,且组织产生了细化。Cr_(3)C_(2)/316L合金的显微硬度为327HV0.1,相比316L合金(265HV0.1)增加了23%。Cr_(3)C_(2)/316L合金的屈服强度和抗拉强度分别为687 MPa和1029 MPa,较316L合金均提高了约50%。Cr_(3)C_(2)/316L合金的磨损率相比316L合金减小了50%。结论在SLM过程中,由于添加的Cr_(3)C_(2)颗粒在激光选区熔化316L合金过程中所产生的非自发形核和提高过冷度的作用,促使了316L合金组织发生明显细化和等轴化。添加的Cr_(3)C_(2)颗粒所产生的细晶强化、沉淀强化和固溶强化作用,使316L合金的硬度、强度和耐磨性都得到有效提升。

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。

离子推力器溅射沉积物防剥离放电室的设计及激光选区熔化增材制造研究

为了抑制离子推力器寿命末期由溅射沉积导致的放电室膜层剥落物脱落,首先采用理论研究和试验的方法开展了剥落物抑制放电室的设计,基于零件结构和增材制造特点开展了零件工艺性分析并提出解决方案,实现了放电室增材制造,开展了离子推力器放电室溅射物防脱落性能测试。结果表明:放电室内表面设计纹理化结构排布形式为正六边形,凸起部分外接圆直径0.5 mm,间距0.25 mm,高度0.5 mm时可降低溅射沉积物脱落概率及碎屑尺寸,通过分层旋转扫描,选择激光功率425 W,扫描速度1200 mm/s工艺参数可实现大尺寸薄壁、具有复杂微小特征钛合金回转体制造,通过结构拓扑,镂空点阵结构、工艺参数和空间摆放位置优化,成型零件壁厚一致性偏差小于0.10 mm。放电室优化前后推力器性能稳定,各工作点关键参数相对误差小于4%。本文的研究为离子推力器放电室溅射沉积物脱落抑制方法和复杂结构的激光选区熔化增材制造成型提供了工程应用方案。

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%。

预热温度对激光选区熔化成形30%SiC_(p)/AlSi10Mg复合材料力学性能的影响

基板常温工况下激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料存在孔洞、裂纹等冶金缺陷,从而导致成形零件致密度低、力学性能差等问题。首先研究了固定优化成形工艺参数时,基板预热温度(200~400℃)对45μm的30%(质量分数,下同)SiC_(p)/AlSi10Mg成形零件表观致密度和力学性能的影响;进一步提高SiC_(p)质量分数至50%,再次评价了上述基板预热温度对成形性能的影响。结果表明,当SiC_(p)质量分数为30%时,升高基板预热温度可以减少成形零件的孔洞和裂纹,成形零件的表观致密度及力学性能显著提高;当基板预热至400℃时,成形零件表观致密度最高达到97.98%,与此同时极限抗压强度和极限抗拉强度分别为578 MPa和56 MPa;随着SiC_(p)质量分数进一步增加至50%,基板预热温度对成形零件致密化和力学性能的强化效果逐步减弱。本研究证明高温预热基板能够有效抑制激光选区熔化成形中等体积分数SiC_(p)/Al复合材料的冶金缺陷,为增材制造SiC_(p)/Al复合材料提供了工程应用解决方案。

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。

激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的微纳压痕尺寸效应

目的研究不同状态激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的纳米压痕尺寸效应。方法对原始态合金分别进行600、700、800、900℃退火处理,利用扫描电子显微镜观察原始态和4种退火态合金的显微组织。基于纳米压痕技术测量原始态及4种退火态合金的纳米硬度和弹性模量。基于比例试样阻力模型、Nix-Gao模型和Meyer定律对纳米硬度进行函数拟合。结果随着退火温度的升高,原始态组织从魏氏体逐渐演变为网篮组织。5种形态的Ti-6Al-4V合金的硬度和弹性模量均出现随压入深度的增加而减小的现象,表现出典型的压痕尺寸效应,基于试验测得的原始态及4种退火态合金的纳米硬度分别为3.66、4.36、3.96、3.88、4.77 GPa,弹性模量分别为113.1、125.2、102.1、100.3、108.7 GPa;基于比例试样阻力模型计算的纳米硬度分别为3.53、4.34、3.92、3.52、4.04 GPa;基于Nix-Gao模型计算的纳米硬度分别为3.68、3.94、4.07、3.85、4.47 GPa;基于Meyer定律拟合出的迈耶指数分别为1.75、1.86、1.82、1.80、1.81,均小于2,均表现为正压痕尺寸效应。结论激光选区熔化Ti-6Al-4V合金的硬度及弹性模量均有典型的压痕尺寸效应;3种模型均能较好地描述原始态和退火态合金的压痕尺寸效应,Nix-Gao模型直接建立了纳米硬度和压痕深度的关系,其拟合结果更接近于试验结果,计算的硬度值也最为准确。

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。

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。

激光选区熔化成形工艺对TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响

利用激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术制备TA15钛合金,通过光学显微镜(Optical microscope,OM)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和室温拉伸等研究了激光功率和扫描速度对SLM成形TA15钛合金内部缺陷与力学性能的影响规律。结果表明:在低激光功率(100~125 W)、高扫描速率(1200~1600 mm/s)区域,激光能量密度较低,合金内部缺陷主要为不规则形状的缺陷;在高激光功率(150~200 W)、低扫描速度(800~1000 mm/s)区域,激光能量密度过高,合金内部缺陷主要为规则球形缺陷。规则球形缺陷的存在会导致合金塑性显著降低、对强度影响较弱;而不规则未熔合缺陷的存在会显著降低合金强度和伸长率。TA15钛合金的最佳工艺参数:激光功率为200 W、激光扫描速度为1600 mm/s时,成形合金拉伸强度为(1291±4.2)MPa,断裂伸长率为(8.5±0.5)%。

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。

激光选区熔化生物医用Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为

分析了SLM Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳行为及相应的微观组织和断口形貌,设置与SLM试样化学成分相同的轧制态Ti-6Al-4V合金进行对比研究.采用X射线衍射(XRD)、结合电子背散射衍射(EBSD)的扫描电子显微镜(SEM)对合金的微观组织进行分析.结果表明,三点弯曲疲劳裂纹起始于准解理断裂表面附近的应力集中,随后向内扩展.SLM成形Ti-6Al-4V合金的弯曲疲劳寿命高于轧制成形Ti-6Al-4V合金,SLM Ti-6Al-4V合金内部孔洞缺陷导致表面附近应力集中,促进疲劳裂纹形核;而SLM Ti-6Al-4V合金中随机取向的α+β晶粒、二次裂纹和孔洞延缓了裂纹扩展,提高了疲劳寿命.对于轧制态Ti-6Al-4V合金,由大量近似取向α晶粒组成的宏观区引起应力集中,形成微裂纹,导致疲劳裂纹形核,而且宏观区对裂纹扩展的阻碍作用较小,不利于材料的疲劳寿命.

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。