【摘要】：增材制造(3D打印)技術(shù)被認為是“一項將要改變世界的技術(shù)”并將引領(lǐng)“第三次工業(yè)革命”。選區(qū)激光熔化(SLM)技術(shù)作為典型的金屬增材制造技術(shù),具有諸多傳統(tǒng)加工方式無法比擬的優(yōu)勢。本課題選擇18Ni300馬氏體時效鋼(簡稱MS)為研究對象,從工藝優(yōu)化、成分裁制、制造方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面進行系統(tǒng)研究。對SLM制備MS及其陶瓷增強的復(fù)合材料、基于MS的梯度材料、以及面向隨形冷卻模具的創(chuàng)新性設(shè)計與應(yīng)用,進行了深入的實驗研究,以期克服SLM成型MS效率低、材料單一、成本高等缺點,提高MS材料性能、成型效率、梯度功能性,拓展其工程應(yīng)用范圍。主要內(nèi)容包括:(1)對激光和熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化獲得與鍛件性能相當(dāng)?shù)母咝阅躆S。工藝參數(shù)優(yōu)化發(fā)現(xiàn)最優(yōu)激光能量密度約為67 J/mm3,工業(yè)CT測得此時試樣致密度達99.986%�；诓顭岱治�,確定了時效和固溶時效兩種合理的熱處理工藝。微觀組織分析表明晶粒尺寸約0.3μm,熔池冷卻速率高達107 K/s。大量針狀Ni3(Ti,Al,Mo)等金屬間化合物在時效過程中析出,產(chǎn)生了第二相強化,強化機制可用Orowan繞過機制和共格應(yīng)變強化解釋,理論計算與實驗結(jié)果較吻合。熱處理過程中的相轉(zhuǎn)變過程為:α+γ→490℃aging,α+γ+γ'+Ni3(Ti,Al,Mo)precipitates和α+γ→840℃agingα→α+γ'+Ni3(Ti,Al,Mo)precipitates。SLM制備的原始態(tài)和固溶時效態(tài)MS試樣的力學(xué)性能達到了標準鍛件水平。SLM成型方向?qū)S力學(xué)性能各向異性影響較小,并且后續(xù)熱處理可進一步消除各向異性。此外,原始態(tài)試樣殘余應(yīng)力(464 MPa)經(jīng)時效處理后降低為103 MPa;熱處理使耐磨性能提高了約一倍,耐蝕性能也得到改善。(2)采用SLM技術(shù)原位制備了 SiC顆粒增強MS基體的金屬基復(fù)合材料(MMCs)。綜合孔隙率、粗糙度和硬度結(jié)果,獲得最佳工藝參數(shù);通過激光重熔、預(yù)熱基板、設(shè)計支撐和改變零件成型方向抑制了高SiC含量MMCs試樣的裂紋。隨著SiC含量的增加,MMCs的組織形貌演變?yōu)?胞狀組織→柱狀組織→樹枝狀組織→針狀和鏈狀組織。組織分析發(fā)現(xiàn)MMCs試樣中出現(xiàn)了大量的納米尺度的析出相和團簇顆粒,主要化合物依附SiC顆粒非均勻形核并原位析出。此外,SiC含量的增加,增大了 MMCs試樣中的殘余拉應(yīng)力,并抑制了馬氏體相的形成和促進奧氏體相的生成,同時提高了 MMCs中析出相的形核率。MMCs試樣的硬度和屈服強度隨著SiC含量的增加而增加,強化機理分析表明MMCs強度提高來自O(shè)rowan強化、位錯強化和負載轉(zhuǎn)移強化。與MS相比,MMCs試樣的耐磨性能明顯改善;當(dāng)SiC6vol.%時,磨損率降低20%以上。熱等靜壓后處理能夠顯著提高MMCs試樣的致密度,使試樣孔隙率由0.109%降至0.001%。(3)采用SLM制備了多種MS基梯度材料,并對界面組織和性能進行了表征和分析。界面參數(shù)對界面性能的影響大小順序為:表面狀態(tài)熔化策略激光參數(shù)。對于SLM成型梯度材料而言,界面合金元素的充分擴散和兩種材料在界面冶金反應(yīng),有利于提高界面結(jié)合性能。綜合拉伸、彎曲和疲勞測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)304鋼-MS和4Crl3鋼-MS梯度材料的力學(xué)性能達到母材強度,明顯優(yōu)于45鋼-MS。因為與不含合金元素的45鋼不同,304和4Crl3母材中均含有大量的合金元素(如Cr、Ni等),在SLM過程中界面熔池在Marangoni對流作用下,高溫MS熔池與基底材料發(fā)生充分對流、傳質(zhì)和元素擴散混合現(xiàn)象,冶金結(jié)合良好。此外,基于SLM制備了 Cu-MS異類金屬梯度材料。采用合適的激光參數(shù)可以獲得幾乎無缺陷、元素互擴散達30-40μm的Cu-MS冶金結(jié)合界面�；赘邿釋�(dǎo)率Cu使界面形成了亞微米級的梯度尺寸晶粒,且晶粒順著熔池最大溫度梯度方向形成了較強的111織構(gòu)。此外,通過透射電鏡分析揭示了界面微觀結(jié)合機理。力學(xué)測試發(fā)現(xiàn),最佳試樣的界面拉伸、彎曲強度和疲勞性能均優(yōu)于母材銅。(4)在MS面向隨形冷卻模具應(yīng)用的創(chuàng)新設(shè)計方面,設(shè)計和制備了 MS自支撐結(jié)構(gòu)水路的隨形冷卻模具,以提高冷卻效率。同時,將模具裝配部位進行網(wǎng)格化減材設(shè)計,以節(jié)省材料和成型時間。優(yōu)化了網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的激光成型參數(shù),其所需激光能量低于實體零件。自支撐水道改善了了水道可成型性,20mm孔徑水道仍能順利成型。模流分析表明,自支撐結(jié)構(gòu)大孔徑冷卻水道提高冷卻效率20%以上。此外,對模具進行了網(wǎng)格減材化設(shè)計和實驗驗證,探究了網(wǎng)格體積分數(shù)對力學(xué)性能的影響,為模具網(wǎng)格化設(shè)計提供理論依據(jù)。最后采用SLM成功制備了集網(wǎng)格減材化和自支撐水道的隨形冷卻模具實物,證實了上述基于SLM模具創(chuàng)新性設(shè)計和制備的可行性。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TG142.24;TG665;TB33
【圖文】：

術(shù)[8]。增材制造技術(shù)有諸多傳統(tǒng)制造技術(shù)無法媲美的有點，例如自由設(shè)計和制造，多種功能集成優(yōu)勢，個性化定制和快速制造，高的材料和資源利用率，無污染和環(huán)境友好等[9, 10]。由于上述諸多優(yōu)勢，近年來，增材制造在學(xué)術(shù)界和商業(yè)界都引起了高度重視和廣泛關(guān)注。隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，增材制造技術(shù)已開始應(yīng)用于航空航天、交通運輸、工業(yè)工程、生物醫(yī)學(xué)和食品供應(yīng)鏈等領(lǐng)域[9, 11, 12]。根據(jù)《WohlersReport2018》報道，增材制造 2017 年市場總額達到 64 億歐元，年增長率達 21%，較上一年增長率 17%提高[13]。SLM 是一種典型的金屬增材制造技術(shù)，該技術(shù)是依據(jù)三維 CAD 數(shù)據(jù)模型，采用高能量密度激光束作為熱源，將粉床上的粉末逐層進行區(qū)域選擇性地熔化，層間冶金結(jié)合形成三維金屬實體，如圖 1-1 所示[14]。1997 年 SLM 技術(shù)在德國申請專利，并于次年獲得授權(quán)。SLM 技術(shù)具有具有成型致密度高、力學(xué)性能優(yōu)異、零件形狀復(fù)雜和節(jié)省材料等優(yōu)點[3]。對于 SLM 技術(shù)的研究主要體現(xiàn)在成型過程中的激光工藝參數(shù)對成型件性能的影響、成型過程激光與粉末作用時物理現(xiàn)象和機理[15, 16]，以及 SLM 在工業(yè)隨形冷卻模具、生物醫(yī)學(xué)個性化定制、復(fù)雜幾何形狀或結(jié)構(gòu)的功能件等方面的應(yīng)用研究[17-19]。

F or heat-treated UTS (MPa) YS (MPa) El (%) HardneF40°C +490°C×6hF40°C +480°C×6hF80°C×5hFF90°C×6hF20°C +460°C×6hF90°C×3hF60°C×8h00°C×10minrought[43]rought aged[4, 50]10651998117821641290±1142217±731085-11921100180011252033~1190~18601188±102017±581659±1191000-11701930-20509011895--1214±991998±32-10501720----915±131957±431557±140760-8951862-200011.54.57.92.513.3±1.91.6±0.35-812.14.510.45.3~12.5~5.66.2±1.31.5±0.21.6±0.16-155-730 HR52 HR381 HV646 HV396 HV635 HV30-35 H~420 H~600 H~400 H618 HV~350 H~560 H---35 HR52 HRensile strength, YS - yield strength, El - elongation, Ei- Charpy impac

第一章 緒論復(fù)合材料具有較高的硬度(980 HV0.2)和較低的摩擦系數(shù)粉末混合并 SLM 熔化成型，得到 MMCs。有趣的是，i 金屬粉末以及非金屬單質(zhì)石墨(C)混合，并采用 SLM 成末無陶瓷粉末，但在激光熔化過程中 Ti 和 C 單質(zhì)發(fā)生 應(yīng)的吉布斯自由能 G 在不同成型溫度下始終小于 0，Ti 和 C 通過擴散的形式形成高溫相 TiC，TiC 在 SLM 凝TiC，產(chǎn)生強化效應(yīng)，復(fù)合材料硬度達到約 400 HV。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前5條

1 林鑫;黃衛(wèi)東;;高性能金屬構(gòu)件的激光增材制造[J];中國科學(xué):信息科學(xué);2015年09期

2 王華明;;高性能大型金屬構(gòu)件激光增材制造:若干材料基礎(chǔ)問題[J];航空學(xué)報;2014年10期

3 盧秉恒;李滌塵;;增材制造(3D打印)技術(shù)發(fā)展[J];機械制造與自動化;2013年04期

4 陳建剛;張建福;盧鳳雙;張敬霖;張建生;;18Ni馬氏體時效鋼強化方法概述[J];金屬功能材料;2009年04期

5 陳興;楊城笑;嚴彪;;金屬基陶瓷顆粒增強復(fù)合材料的制備方法[J];上海有色金屬;2008年01期

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1 白玉超;馬氏體時效鋼激光選區(qū)熔化成型機理及其控性研究[D];華南理工大學(xué);2018年

2 劉一雄;Ti顆粒與SiC_p協(xié)同增強鋁基復(fù)合材料組織性能與強化機理研究[D];華南理工大學(xué);2015年

3 顧冬冬;激光燒結(jié)銅基合金的關(guān)鍵工藝及基礎(chǔ)研究[D];南京航空航天大學(xué);2007年

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1 吳成龍;基于3D打印的隨形冷卻水道注塑模設(shè)計與制造技術(shù)研究[D];華南理工大學(xué);2015年

2 康凱;選區(qū)激光成形用18Ni-300粉末特性及成形件組織結(jié)構(gòu)的研究[D];重慶大學(xué);2014年

3 曹潤辰;18Ni300馬氏體時效鋼選區(qū)激光熔化工藝及金屬粉末激光熔化實驗研究[D];上海交通大學(xué);2014年

4 王勇;注塑模隨形冷卻優(yōu)化設(shè)計及分型制造方法的研究[D];湖北工業(yè)大學(xué);2013年

5 何寅;隨形冷卻水道注塑硬�？焖僦圃旆椒ǖ难芯縖D];湖北工業(yè)大學(xué);2012年

本文編號：2776849