【摘要】：復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)金屬合金零件在航空、航天及軍工等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用,采用金屬增材制造技術(shù)直接成形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的金屬零件是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。金屬增材制造是以激光、電子束等高能熱源熔化金屬粉末或絲材,通過逐點(diǎn)、逐層堆積制備金屬零件,制造流程短、無模制造。但是,金屬增材制造離不開金屬粉末或絲材的制備,這本身是一個(gè)比較復(fù)雜的過程,并且粉或絲的性能直接或間接地影響了最終產(chǎn)品的性能。本研究開發(fā)了一種全新的增材制造技術(shù)-金屬直接微熔鑄無模成形技術(shù)(簡稱微熔鑄技術(shù)),該技術(shù)有望以金屬熔體直接成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的高強(qiáng)金屬合金零件。依據(jù)微熔鑄原理搭建了 Sn-Pb合金成形設(shè)備,探索了Sn-Pb合金樣件的成形條件,研究了微熔鑄工藝的成形性能。在此基礎(chǔ)上搭建了鋁合金ZL101微熔鑄成形設(shè)備,研究工藝條件對鋁合金ZL101樣件的成形性和組織性能的影響規(guī)律;分析了樣品的顯微組織結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并評價(jià)其力學(xué)性能。研究內(nèi)容主要包括:(1)根據(jù)微熔鑄原理和Sn-Pb合金材料的特性設(shè)計(jì)并搭建了微熔鑄成形設(shè)備,解決半固態(tài)熔體的制備和微熔鑄成形性。設(shè)備不僅能夠制備單層單道樣件、多層單道樣件,還制備了形狀復(fù)雜的雙曲線型火箭噴嘴模型樣件;構(gòu)建了熔體溫度-噴嘴運(yùn)動速度-成形樣件區(qū)域,獲得了金屬樣件的成形規(guī)律。所制備的5層和10層Sn-Pb合金樣件顯微組織均勻,層間形成了良好的結(jié)合;5層、10層Sn-Pb合金樣件截面的顯微硬度分別為11.21 ±0.65 HV、11.36土0.83HV,高于Sn-Pb合金鑄態(tài)原料的顯微硬度(9.76HV)。(2)為了將微熔鑄技術(shù)推廣到高熔點(diǎn)合金,對搭建的設(shè)備進(jìn)行升級改造,以石墨坩堝為內(nèi)膽、采用強(qiáng)制攪拌、使用6°微傾斜高強(qiáng)石墨活塞式旋轉(zhuǎn)開關(guān),解決了鋁合金熔體的流動控制問題。升級改造后的設(shè)備能夠滿足鋁合金ZL101的微熔鑄成形要求。研究了鋁合金ZL101半固態(tài)熔體的形核和長大機(jī)理、制備工藝對ZL101熔體顯微組織的影響規(guī)律。結(jié)果表明,當(dāng)噴嘴水口溫度為595℃、攪拌速度為800r/min、筒體溫度為620℃時(shí),制備出了α-Al晶粒細(xì)小、分布均勻、球形度高的ZL101半固態(tài)熔體,α-Al晶粒平均尺寸為51μm,形狀因子為0.70,在基體中分布均勻。(3)基板運(yùn)動速度和基板到噴嘴水口的高度對鋁合金ZL101樣件的性能有顯著的影響�；逅俣仍娇�,基板到噴嘴水口的高度越低,樣件的力學(xué)性能越好。在筒體溫度為620℃、噴嘴溫度為595℃、攪拌速度為800r/min、噴嘴直徑為3mm、基板運(yùn)動速度為20mm/s、基板到噴嘴水口的高度為2mm的條件下,制備出了拉伸強(qiáng)度為240.82MPa、顯微硬度為83.57HV的單層單道金屬樣件;其拉伸強(qiáng)度是鑄態(tài)原料的145%,顯微硬度是鑄態(tài)原料的128%。(4)采用電子背散射衍射技術(shù)(EBSD)對樣件的晶粒取向和尺寸受基板運(yùn)動速度的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),基板運(yùn)動速度越快,晶粒擇優(yōu)取向分布越明顯,晶粒平均尺寸越小。當(dāng)基板運(yùn)動速度為1Omm/s、20mm/s、30mm/s時(shí),所對應(yīng)樣品的平均晶粒尺寸分別為73μm、59μm、46μm。(5)采用FLUENT軟件對微熔鑄鋁合金ZL101樣件基體與金屬熔體層間處的熔化條件進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明,當(dāng)熔體溫度在600-610℃溫度范圍內(nèi)、基板運(yùn)行速度在5-20mm/s范圍內(nèi)時(shí),金屬熔體所提供的熱量能夠熔化前一層樣品表面,并且形成良好的層間結(jié)合(熔化層的深度為22-155μm)。依據(jù)模擬結(jié)果,制備出了多層單道鋁合金ZL101薄板樣件,其拉伸強(qiáng)度達(dá)到了208.35MPa。微熔鑄層間結(jié)合機(jī)理研究表明,微熔鑄層間結(jié)合首先是前一層金屬表面受熱發(fā)生熔化,然后金屬原子在層間處擴(kuò)散,凝固后形成層間冶金結(jié)合。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG24
【圖文】：

由于激光加熱燒結(jié)區(qū)使金屬粉末熔化，在表面張力作用下容易導(dǎo)致所謂的“球逡逑化”現(xiàn)象，分析認(rèn)為，這是由于在表面張力的作用下液態(tài)金屬凝固收縮為球狀，逡逑如圖２－１所示�！扒蚧睍谥萍行纬纱罅康目紫�，從而降低成形件的密度和逡逑力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，對熔點(diǎn)不同的金屬混合粉末進(jìn)行合理配比，并采用優(yōu)逡逑化的工藝參數(shù)，可以有效地控制燒結(jié)質(zhì)量［２５］。間接ＳＬＳ工藝的成形材料為金逡逑屬粉末與熱塑性有機(jī)粘接劑混合形成的混合粉體，金屬粉末通過熔化的有機(jī)逡逑粘接劑實(shí)現(xiàn)粘接，但是燒結(jié)過程中金屬粉末顆粒間的孔隙無法消除，制件的逡逑強(qiáng)度、硬度等性能指標(biāo)較常規(guī)工藝制件較低，通常需要輔以脫脂、高溫重熔逡逑或滲金屬填補(bǔ)間隙等后處理工序才能達(dá)到改善顯微組織提高制件力學(xué)性能的逡逑目的［２６，２７］。間接ＳＬＳ工藝比較成熟，燒結(jié)速度快，但需要后處理工序，所以逡逑工藝周期長，在后處理時(shí)受到熱應(yīng)力的二次作用容易造成零部件收縮變形，逡逑尺寸和形狀精度會降低［２５］。從長遠(yuǎn)來看

近乎致密金屬零件，因此，該技術(shù)能用于成形各類結(jié)構(gòu)復(fù)雜并具有良好生物逡逑相容性的醫(yī)學(xué)植入體，如個(gè)性化股骨植入體、個(gè)性化骨科手術(shù)導(dǎo)板等［４２］，如逡逑圖２－２所示。ＳＬＭ成形用原材料主要是金屬和金屬合金粉末，材料應(yīng)用時(shí)，需逡逑要定制金屬粉末或者加入微量元素以改善粉末的成形性能，對材料的要求較逡逑尚。逡逑悘逡逑圖２－２邋ＳＬＭ成形器件：（ａ）股骨植入體，（ｂ）骨科手術(shù)導(dǎo)板１４２１逡逑（３）激光近凈成形（Ｌａｓｅｒ邋Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ邋Ｎｅｔ邋Ｓｈａｐｉｎｇ，邋ＬＥＮＳ）是美國Ｓａｎｄｉａ逡逑國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種先進(jìn)的金屬零件直接制造技術(shù)，該技術(shù)是ＳＬＳ和同步逡逑送粉激光熔覆技術(shù)的結(jié)合。ＬＥＮＳ采用高能束激光形成局部熔化的熔池并快速逡逑移動激光源，同時(shí)將金屬粉末或絲材同步送入熔池，冷卻后形成冶金結(jié)合的逡逑熔覆截面，這樣逐層熔覆便可以制備高致密度的金屬零件［４３］，工藝原理見圖逡逑２－３所示。逡逑美國Ｓａｎｄｉａ國家實(shí)驗(yàn)室對不同金屬材料的ＬＥＮＳ成形技術(shù)進(jìn)行了研究，制逡逑備了鎳基超合金、Ｈ１３工具鋼、不銹鋼及鈦合金等金屬零件。ＬＥＮＳ成形零件逡逑相對鍛造件在強(qiáng)度和塑性方面均有明顯提高

逐漸改變粉末成分，還可以實(shí)現(xiàn)功能梯度零件的直接制造。美國Ｌｏｓ邋Ａｌａ家實(shí)驗(yàn)室也應(yīng)用ＬＥＮＳ技術(shù)研究了多種金屬材料的直接成形，該研究的圍涵蓋Ｐ２０工具鋼、３１６不銹鋼、４００不銹鋼、Ｔｉ－６Ａ１－４Ｖ金屬化合物，的金屬件的力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)。圖２－４邋（ａ）為ＬＥＮＳ技術(shù)成形的Ｃ－１７的鈦合金外掛腔壁，ＬＥＮＳ還可用來制造具有冷卻通道的金屬模具，見（ｂ）所示。國內(nèi)，王華明等［４４４６］采用ＬＥＮＳ技術(shù)制備了飛機(jī)鈦合金大型結(jié)構(gòu)零件，并提出了用“熱應(yīng)力離散控制”方法解決制件成形過程中的“裂”和“內(nèi)部質(zhì)量”等技術(shù)難題，研究取得了重要進(jìn)展。此外，國內(nèi)外學(xué)別對ＬＥＮＳ工藝成形ＴｉＣ／Ｔｉ功能梯度材料［４７］、顯微組織及力學(xué)性能、熱為［４８］及凝固行為［４９］等方面進(jìn)行了研究。逡逑ＬＥＮＳ技術(shù)能夠制造組織致密、力學(xué)性能高的金屬零件，零件的性能到甚至超過鍛件，并且在非均質(zhì)、功能梯度金屬零件成形方面具有明，有廣闊的發(fā)展前景，但是ＬＥＮＳ設(shè)備造價(jià)昂貴，能耗太高。逡逑

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 羅曉強(qiáng);李正陽;SHI Xiaojiao;燕青芝;;Effect of Stirring Velocity in Micro Fused-Casting for Metal on Microstructure and Mechanical Properties of A356 Aluminum Alloy Slurry[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science);2016年05期

2 羅曉強(qiáng);李正陽;CHEN Guangnan;XU Wanli;燕青芝;;Effect of Substrate Movement Speed by Synchronous Rolling-casting Freeform Manufacturing for Metal on Microstructure and Mechanical Property of ZLl04 Aluminum Alloy Slurry[J];Journal of Wuhan University of Technology(Materials Science Edition);2015年05期

3 朱文志;毛衛(wèi)民;涂琴;;蛇形通道澆注制備半固態(tài)7075鋁合金漿料(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2014年04期

4 Hamed KHOSRAVI;Reza ESLAMI-FARSANI;Mohsen ASKARI-PAYKANI;;半固態(tài)鑄造A356鋁合金冷卻斜槽工藝參數(shù)的建模與優(yōu)化(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2014年04期

5 管仁國;趙占勇;鈔潤澤;馮振仙;劉春明;;剪切/振動耦合作用下連續(xù)流變軋制成形A2017合金組織演化及動態(tài)凝固(英文)[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2012年12期

6 ;Mathematic model of rolling pressure during a semisolid shearing-rolling process[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2012年12期

7 楊柳青;康永林;張帆;徐駿;;Microstructure and mechanical properties of rheo-diecasting AZ91D Mg alloy[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2010年S3期

8 王開坤;康永林;宋普光;徐峰;黎先輝;;Preparation of SiC_p/A356 electronic packaging materials and its thixo-forging[J];Transactions of Nonferrous Metals Society of China;2010年S3期

9 吳偉輝;楊永強(qiáng);何興容;丁煥文;;金屬質(zhì)個(gè)性化手術(shù)模板的全數(shù)字化快速設(shè)計(jì)及制造[J];光學(xué)精密工程;2010年05期

10 ;Preparation of semisolid AlSi7Mg alloy slurry through weak traveling-wave electromagnetic stirring[J];International Journal of Minerals Metallurgy and Materials;2009年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 黃小毛;熔絲沉積成形若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];華中科技大學(xué);2009年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 李嘯;等離子熔積成形金屬零件數(shù)值模擬[D];華中科技大學(xué);2011年

本文編號：2790719