貝殼等天然生物材料在具有高強(qiáng)度、高硬度的同時(shí),兼具高塑性、高韌性。貝殼外表面具有螺旋狀的紋路,在厚度方向逐層梯度,且由內(nèi)層向外層過渡時(shí),層片之間形成旋轉(zhuǎn)紋路的結(jié)構(gòu),是其具有綜合性能的主要原因。本文仿照天然貝殼的結(jié)構(gòu),以45鋼為基材,三種不相同的Fe-Cr-Ni合金粉末為熔覆材料,采用激光鋪粉增材制造技術(shù)制備了多層梯度結(jié)構(gòu)材料。建立了多層梯度結(jié)構(gòu)材料的層間膨脹系數(shù)以及梯度結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力的匹配原則,研究了層間結(jié)晶規(guī)律、微觀組織結(jié)構(gòu)演變和磨損性能,獲得了性能優(yōu)異的多層梯度結(jié)構(gòu)材料的合金粉末匹配原則和激光增材制備工藝參數(shù),其研究成果對(duì)激光增材制備耐磨材料具有一定的技術(shù)支持和理論指導(dǎo)意義。其主要成果如下:（1）層間材料的匹配原則梯度結(jié)構(gòu)各層之間的熱應(yīng)力匹配應(yīng)滿足:使抗裂性能高的梯度材料受拉,脆硬材料受壓的原則。仿生梯度結(jié)構(gòu)中,基體采用45鋼,過渡層采用材料1,中間層采用材料2或材料3,這樣使與材料1相鄰的熔覆層產(chǎn)生壓應(yīng)力,材料1則受拉應(yīng)力作用。（2）梯度層間結(jié)晶特征合金元素的含量及相鄰層紋路夾角會(huì)對(duì)熔覆層的結(jié)晶形態(tài)產(chǎn)生影響:三種合金粉末中,Ni含量低的材料2和材料3的凝固模式為FA;Ni含量較高的材... 

【文章來源】：長(zhǎng)春理工大學(xué)吉林省

【文章頁數(shù)】：83 頁

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

貝殼等生物材料微觀結(jié)構(gòu)

第2章試驗(yàn)材料與設(shè)備9圖2.1合金粉末顆粒形貌2.1.3黏結(jié)劑選型根據(jù)熔覆層材料添加方式不同，通常將激光熔覆分為預(yù)置送粉式、同步送粉式和絲材激光熔覆[33]。預(yù)置送粉法：首先將熔覆材料與粘接劑混合后，粘結(jié)至基體表面制成涂層；然后利用連續(xù)的高能激光束掃描涂層，涂層吸收光子而產(chǎn)生大量的熱，熔覆材料表層被加熱熔化。同時(shí)，熱量以熱傳導(dǎo)方式[33，39]進(jìn)入熔覆層內(nèi)部，使固-液相界面不斷向內(nèi)推進(jìn)，將熔覆層和基體表面熔融，而后冷卻結(jié)晶，最終涂層與基體形成冶金結(jié)合，以達(dá)到成型的目的。同步送粉法：則是邊熔覆邊由送粉系統(tǒng)將合金粉末送入熔覆區(qū)，激光將金屬粉末與基體表面同時(shí)熔化，而后冷卻結(jié)晶，與基體形成冶金結(jié)合。絲材激光熔覆法：是由送絲系統(tǒng)將絲材連續(xù)精確地送至熔覆區(qū)，激光束將金屬絲和基體材料熔化后形成熔池，而后冷卻結(jié)晶，與基體形成冶金結(jié)合。本試驗(yàn)采用粉末預(yù)置法，進(jìn)行激光增材制造。因此，除了選擇基體材料、合金粉末外，還需要選擇黏結(jié)劑。不同類型的黏結(jié)劑加熱后，會(huì)對(duì)激光增材制造結(jié)果造成不同的影響。水玻璃及硅酸鹽膠在加熱過程中極易膨脹，造成熔覆后合金層與基體脫離[33]，成型質(zhì)量差。馬海波[40]研究后認(rèn)為，水玻璃內(nèi)部含有結(jié)晶水，作為黏結(jié)劑使用時(shí)，受熱后極易產(chǎn)生氣孔。且水玻璃燃燒過程中產(chǎn)生大量煙霧狀氣體，對(duì)熔池造成干擾，并降低材料表面對(duì)光束的吸收率。而大多數(shù)有機(jī)物黏結(jié)劑，在燃燒和分解后會(huì)形成炭黑產(chǎn)物[33]，容易導(dǎo)致合金粉末濺出，并對(duì)激光產(chǎn)生屏蔽。雖然以硝化纖維素為基體的黏結(jié)劑可以避免這一問題，得到較好的試驗(yàn)效果，但考慮到市場(chǎng)售賣的纖維素，大多含有Na元素，可能影響試驗(yàn)結(jié)果。而2123酚醛樹脂作為熱塑性線性型酚醛樹脂[41，42]（圖2.2），內(nèi)部含有7～9%的烏洛托品?

第2章試驗(yàn)材料與設(shè)備10－CH2－OHOH－CH2－OHn~~~~CH2－－CH2~~~~NNNN(C2H4)6N4圖2.2酚醛樹脂分子結(jié)構(gòu)劉敬[43]研究了黏結(jié)劑濃度對(duì)成型質(zhì)量造成的影響，他分析了聚乙烯醇-水黏結(jié)劑的熔覆效果。研究結(jié)果表明，黏結(jié)劑溶液濃度低于2%時(shí)，合金粉末會(huì)因粘結(jié)性的不足而被保護(hù)氣吹散；當(dāng)溶液的濃度高于6%后，聚乙烯醇受熱分解的氣體不能及時(shí)溢出熔池，而使熔覆層內(nèi)部產(chǎn)生大量氣孔，嚴(yán)重時(shí)氣體將沖擊熔融液態(tài)金屬造成飛濺。參照上述研究結(jié)果，本試驗(yàn)配備了酚醛樹脂-無水乙醇溶液作為黏結(jié)劑。使用前，先將樹脂粉末溶于無水乙醇中，制備成質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%的酚醛樹脂-酒精溶液，在激光增材制造試驗(yàn)過程中取得了良好的使用效果。2.2試驗(yàn)設(shè)備2.2.1熔覆成型設(shè)備2.2.1.1激光發(fā)生器成型設(shè)備采用德國(guó)Trumpf公司生產(chǎn)的TruDisk8002型Nd:YAG碟片式激光器，如圖2.3。該激光器光纖直徑200μm，光束發(fā)散角8，最大輸出功率8000W。激光器工作時(shí)，Nd原子中的電子躍遷至亞穩(wěn)態(tài)4F3/2，而后分別向終態(tài)能級(jí)4I11/2、4I9/2、4I13/2躍遷[44]，分別輻射出中心波長(zhǎng)為1.06μm、0.946μm和1.35μm的光譜帶，三者強(qiáng)度比為0.6:0.25:0.14。而1.06μm的譜線首先起振，對(duì)1.35μm光譜的起振產(chǎn)生抑制，從而使激光器最終輻射出波長(zhǎng)為1.03μm的近紅外光譜。圖2.3TruDisk8002型Nd:YAG碟片式激光器

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]激光增材制造Fe-Cr-Ni合金的組織和性能[J]. 張?zhí)祚Y,林英,劉雙宇,冷書涵,張福隆,劉國(guó)昌.  熱加工工藝. 2019(24)
[2]復(fù)雜結(jié)構(gòu)與高性能材料增材制造技術(shù)進(jìn)展[J]. 劉偉,李能,周標(biāo),張國(guó)棟,梁家譽(yù),鄭濤,熊華平.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2019(20)
[3]鋼的激光增材制造研究進(jìn)展及前景展望[J]. 舒宗富,黃春平,林鑫,劉奮成.  精密成形工程. 2019(04)
[4]High strength and ductility of 34CrNiMo6 steel produced by laser solid forming[J]. Chunping Huang,Xin Lin,Fencheng Liu,Haiou Yang,Weidong Huang.  Journal of Materials Science & Technology. 2019(02)
[5]基于螺旋貝殼仿生的發(fā)動(dòng)機(jī)增壓器渦輪蝸殼設(shè)計(jì)提升渦輪性能[J]. 吳娜,張克松,王希波,馬云海.  農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào). 2018(19)
[6]激光熔化沉積技術(shù)在制備梯度功能材料中的應(yīng)用[J]. 劉帥,王陽,劉常升.  航空制造技術(shù). 2018(17)
[7]仿生材料3D打印[J]. 張靚,趙寧,徐堅(jiān).  中國(guó)材料進(jìn)展. 2018(06)
[8]微桁架點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)/功能一體化中的應(yīng)用[J]. 王向明,蘇亞東,吳斌,張瑞,王福雨,汪嘉興,邢本東.  航空制造技術(shù). 2018(10)
[9]Zr-4合金表面激光熔覆不同類型TiN粉末的組織與性能[J]. 馬建光,朱衛(wèi)華,朱紅梅,廖幫亮,孫楚光,王新林.  金屬熱處理. 2017(01)
[10]激光熔覆粉料和工藝參數(shù)對(duì)45鋼基體與熔覆層結(jié)合強(qiáng)度的影響研究[J]. 許明三,李劍峰,李驊登,孫杰,李方義,趙彥華.  機(jī)械工程學(xué)報(bào). 2017(09)

博士論文
[1]激光熔化沉積TiC/Ti6Al4V復(fù)合材料的組織性能調(diào)控[D]. 王建東.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2018
[2]激光熔覆γ-Ni/Mo2Ni3Si合金涂層的制備工藝與性能研究[D]. 劉敬.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 2016
[3]典型貝類殼體生物耦合特性及其仿生耐磨研究[D]. 田喜梅.吉林大學(xué) 2013

碩士論文
[1]基于貝殼珍珠層特征的金屬仿生設(shè)計(jì)和電弧增材制造研究[D]. 聞?wù)卖?南京理工大學(xué) 2017
[2]雙金屬交織結(jié)構(gòu)等離子弧增材制造技術(shù)研究[D]. 程衛(wèi)琴.南京理工大學(xué) 2017
[3]激光熔覆原位自生增強(qiáng)顆粒復(fù)合涂層研究[D]. 馬海波.大連理工大學(xué) 2009
[4]激光焊接等離子體高速攝影圖象處理及其特性研究[D]. 王義敏.西北工業(yè)大學(xué) 2002



本文編號(hào)：3429090