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激光熔覆SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面特性与性能研究

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激光熔覆SiCf/Ti-6Al-4V复合材料界面特性与性能研究

作者：韩振中石家庄铁道大学

学位级别：硕士

SiC/Ti-6Al-4V复合材料因其质量轻、性能优异,在高端装备制造领域将有着极大的应用前景。本课题组采用激光熔覆叠层技术不同于箔-纤维-箔法(FFF)、纤维涂层法(MCF)等传统制备方法,其急冷急热的特点使SiC纤维和金属之间的元素扩散时间短... 详细信息

SiC/Ti-6Al-4V复合材料因其质量轻、性能优异,在高端装备制造领域将有着极大的应用前景。本课题组采用激光熔覆叠层技术不同于箔-纤维-箔法(FFF)、纤维涂层法(MCF)等传统制备方法,其急冷急热的特点使SiC纤维和金属之间的元素扩散时间短,界面均匀程度和界面产物的难以控制。首先,利用激光熔覆叠层复合增材制造系统和优化的工艺参数,采用国产有C涂层的SiC纤维和无C涂层的SiC纤维,制备了纤维单向增强的SiC/Ti-6Al-4V板材复合材料和SiC/C/Ti-6Al-4V板材复合材料30 mm×20 mm的长方形试样面板,厚度约为1 mm。其次,使用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、能谱仪对900℃、950℃下短时热暴露态下的SiC/Ti复合材料的微观组织、界面反应层成分和厚度及基体和纤维元素扩散进行了分析。研究结果表明,采用激光熔覆叠层技术制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料虽成形时间短,但SiC纤维、C涂层、基体之间也会发生界面反应,界面反应产物主要为Ti C。与纤维表面无C涂层的SiC/Ti-6Al-4V相比较,纤维C涂层可有效抑制纤维表面损伤,起到保护纤维的作用,反应的动力学参数频率因子k和反应激活能Q略微增大。然后,采用纳米压痕仪、显微硬度仪对复合材料进行微观力学性能分析,通过对拉伸断口及界面结合强度,研究发现经短时真空高温热暴露,SiC纤维、C涂层、基体及界面反应层的硬度值和弹性模量没有发生明显的变化,表明该材料在900℃及以下温度具有良好的短时热稳定性。C涂层的弹性模量介于Ti-6Al-4V和SiC,在一定程度上可有效避免在SiC纤维上产生应力集中。最后,利用电子万能材料拉伸试验机对SiC/Ti-6Al-4V复合材料进行纵向拉伸测试。研究发现,由于复合材料在制备过程中会生成脆性界面产物、纤维含量占比低、融合不良等缺陷,使得复合材料的纵向拉伸强度略微降低。

关键词： SiCf/Ti-6Al-4V复合材料短时高温真空热暴露显微组织界面特性力学性能

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多角度激光熔覆工艺优化及形貌研究

多角度激光熔覆工艺优化及形貌研究

作者：杨旭石家庄铁道大学

学位级别：硕士

传统激光熔覆技术以熔覆喷嘴竖直向下工作为主,实际工程应用中存在许多体积较大不易移动或表面形状复杂的零部件,对其进行修复时,熔覆喷嘴需要偏转较大角度,从而导致粉末和熔池的受力状态发生变化。因此,研究激光熔覆喷嘴偏转不同角度... 详细信息

传统激光熔覆技术以熔覆喷嘴竖直向下工作为主,实际工程应用中存在许多体积较大不易移动或表面形状复杂的零部件,对其进行修复时,熔覆喷嘴需要偏转较大角度,从而导致粉末和熔池的受力状态发生变化。因此,研究激光熔覆喷嘴偏转不同角度下工艺参数对熔覆层形貌及力学性能的影响,可以为多角度激光熔覆修复提供理论和实践基础。首先,进行了送粉方式的优化和夹具的设计制作,测量了熔覆喷嘴偏转45°、90°、135°粉末束的汇聚焦点,当载气流量为15 L/min时,可以克服粉末由于偏转角度和自身重力所带来的不利影响;进行了偏转0°、45°、90°、135°单道激光熔覆316L不锈钢粉末实验,得到了较为规则的熔覆层;研究了工艺参数和偏转角度对熔覆层形貌(截面尺寸、顶部偏移量等)的影响。结果表明,增加扫描速度(≥6 mm/s)、减小送粉量(≤18 r/min)、选用合适的激光功率(1100 W-1300W)可以保证熔覆层形貌质量并减小顶部偏移量。然后,研究了搭接率、工艺参数、扫描方向、搭接方式对偏转90°多道激光熔覆316L不锈钢粉末的形貌及特征参数(熔高、熔深、表面平整度)等的影响规律。结果表明,其他参数不变下,改变单一参数(如:增加激光功率、提高扫描速度、减小送粉量)、竖向扫描、交错搭接熔覆可以提高多道激光熔覆层的表面平整度,同时避免熔覆层内部产生缺陷。最后,对多角度激光熔覆层的微观组织和硬度进行分析,熔覆层的硬度(184.2-191.2 HV)均高于基材(168.5 HV);进行了基材与0°、90°熔覆层的拉伸力学性能试验,并对断裂机理和断口形貌进行了分析。结果表明,基材的断口表面韧窝数量多且深,塑性优于熔覆层,熔覆层的屈服强度(361.04-390.83 MPa)高于基材(337.61-354.67 MPa),基材屈强比(0.44-0.5)低于熔覆层(0.68-0.75);采用偏转90°多道激光熔覆工艺修复20#无缝钢管表面,熔覆层整体表面平整度较高,偏角度激光熔覆可以满足实际修复应用。

关键词：偏转角度激光熔覆激光熔覆层形貌力学性能

激光熔覆成形316L有角度薄壁件的工艺研究

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激光熔覆成形316L有角度薄壁件的工艺研究

作者：马婧石家庄铁道大学

学位级别：硕士

金属材料激光熔覆成形是增材制造技术的主要发展趋势之一,在航空航天、汽车、船舶、武器装备等技术领域具有广泛的应用前景。激光熔覆成形技术在成形有角度薄壁件方面具有独有的优势,但是在成形质量精度等方面还存在问题。本文以316L不... 详细信息

金属材料激光熔覆成形是增材制造技术的主要发展趋势之一,在航空航天、汽车、船舶、武器装备等技术领域具有广泛的应用前景。激光熔覆成形技术在成形有角度薄壁件方面具有独有的优势,但是在成形质量精度等方面还存在问题。本文以316L不锈钢粉末为材料进行激光熔覆成形有角度薄壁件的工艺研究。首先,使用ANSYS有限元软件对激光单道熔覆316L不锈钢粉末工艺过程温度场及工艺参数进行数值模拟,采用正交实验法对316L不锈钢粉末激光单道熔覆进行工艺实验,得到优化的单道熔覆工艺参数为:送粉速率4.714 g/min,扫描速度5 mm/s,激光功率600 W。然后,利用优化的工艺参数进行有角度薄壁件的成形实验与数值模拟,分析解决成形过程中存在的问题,并优化工艺参数为:保护气体流量15 L/min,连续熔覆层数5层,冷却时间10 min。最后,使用不同的填充方式进行实心零件的制备,并进行力学性能测试。拉伸实验结果表明:激光熔覆成形拉伸件的屈服强度为521.3 MPa,抗拉强度为718.1 MPa,延伸率为44.4%;垂直X-Y方向光栅扫描式填充模式制备零件的力学性能优于其他路径填充模式,且在各个方向的力学性能比较均匀。对316L粉末激光熔覆组织进行观察,得出组织之间呈冶金结合状态,没有气孔和裂纹等缺陷,符合制造要求。

关键词：激光熔覆成形 316L不锈钢粉末有角度薄壁件工艺参数力学性能

激光熔覆制备铝-高熵合金梯度材料工艺及性能研究

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激光熔覆制备铝-高熵合金梯度材料工艺及性能研究

作者：包大志石家庄铁道大学

学位级别：硕士

铝合金的密度低、延展性好、比强度高,广泛应用于建筑行业、航空航天、车身构件等领域,但是铝合金的硬度低、耐磨性差、熔点低,不适应高温及耐磨等应用场景。高熵合金具有硬度高、耐磨性好、耐高温等优点,从性能角度看非常适合作为铝合... 详细信息

铝合金的密度低、延展性好、比强度高,广泛应用于建筑行业、航空航天、车身构件等领域,但是铝合金的硬度低、耐磨性差、熔点低,不适应高温及耐磨等应用场景。高熵合金具有硬度高、耐磨性好、耐高温等优点,从性能角度看非常适合作为铝合金表面改性的材料。本文针对铝合金和高熵合金的物理性质差距过大的特性,利用梯度材料的设计理念,以不同质量分数比例的Al Si10Mg+Fe Co Cr Ni Mo混合粉末,采用激光熔覆技术在6061铝合金表面制备梯度层。对6061铝合金表面激光熔覆制备铝-高熵合金梯度材料的工艺参数进行优化,以送粉量、激光功率和扫描速度为变量进行单变量探究试验,对比各参数下熔覆层中的气孔、裂纹等缺陷,以及表面平均硬度,确定最终的工艺参数:第一梯度层:送粉量1.5 g/min、激光功率2100 w、扫描速度8 mm/s、超声功率1000 w、重熔功率2200 w,第二梯度层:送粉量1.5 g/min、扫描速度7 mm/s、激光功率为1900 w、重熔功率2000 w,第三梯度层:送粉量1.5 g/min、扫描速度6 mm/s、激光功率2100 w、重熔功率2200 w。实验过程中发现激光能量密度过低,梯度层中易形成羽毛状组织和金属间化合物,造成梯度层开裂。采用OM、SEM、XRD衍射仪对各梯度层的显微组织及相结构进行分析。各梯度层中均为单一FCC相。第一梯度层的显微组织主要由细长柱状α-Al枝晶以及网状Al-Si共晶组成,其间析出少量的共晶Si;第二梯度层的中部和上部析出细小的花瓣状Al-Si共晶;第三梯度层组织由熔覆层底部粗大的枝状晶逐渐形成细密的枝状晶,梯度层中部和上部均为细小的枝状晶。第一、二梯度层交界处析出的Al-Si共晶呈现粗大的树枝状,第二、三梯度层交界处生成了三元金属间化合物。对各梯度层的显微硬度、耐磨性能及耐高温性能进行测试和分析,并对TC/DSC曲线上的温度突变点进行均匀化处理。硬度测试结果表明,与6061铝合金基体相比,随着高熵合金含量的增加,各梯度层的硬度分别提高了6.59%、32.77%、77.37%;磨损性能测试结果表明,与6061铝合金基体相比,各梯度层的磨损量分别减少了13.04%、37.39%、80.86%;耐高温性测试结果表明,第三梯度层表面的氧化物不够连续,经过均匀化处理后的试样虽然硬度较沉积态试样有所降低,但仍分别高于6061铝合金基体63.64%和50.32%,梯度层中高熵合金的元素分布变化不大,依旧为单一FCC相,没有生成新相,表明梯度涂层具有较好的高温性能。

关键词：高熵合金激光熔覆 6061铝合金梯度材料工艺优化

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高速列车制动盘增减材制造工艺研究

高速列车制动盘增减材制造工艺研究

作者：曹振飞石家庄铁道大学

学位级别：硕士

利用激光熔覆技术强化高速列车制动盘是提高列车车速、保证制动性能的一种有效方式和手段。激光熔覆技术的优点是可以制备出性能良好的耐磨层,缺点是制造过程中会在表面生成氧化皮和残渣,如果多层激光熔覆表面杂质未清理,则会降低激光... 详细信息

利用激光熔覆技术强化高速列车制动盘是提高列车车速、保证制动性能的一种有效方式和手段。激光熔覆技术的优点是可以制备出性能良好的耐磨层,缺点是制造过程中会在表面生成氧化皮和残渣,如果多层激光熔覆表面杂质未清理,则会降低激光熔覆层的性能。因此本文首先采用铁基合金粉末制备高速列车制动盘激光熔覆层,然后设计组装了一套减材铣削熔覆层的装置,最后采用增减材相结合成形了实体高速列车制动盘。首先,参照国内外制动盘材质及服役要求设计了一种新型激光熔覆铁基合金粉末,利用正交实验法研究了激光熔覆工艺参数,结果表明扫描速度影响最大,激光功率影响较小,送粉量影响最小,并得到最佳工艺参数功率为600w,扫描线速度4.5mm/s,送粉电压转数6r/min,进而又研究了不同的单道搭接率对制动盘激光熔覆层的影响,结果显示60%单道搭接率表面平整,同时无裂纹。激光熔覆试样组织为细小均匀的板条状马氏体,显微硬度为359.68HV;抗拉强度为1172MPa,延伸率在12.1%左右,拉伸断口存在大量的第二相强化粒子;摩擦因子为0.339,磨损机制为疲劳磨损和氧化磨损的混合形式,主要性能指标均满足高速列车使用要求。其次,为去除激光熔覆沉积表层的氧化皮及残渣,设计开发出一套自动减材装置。利用底座、运动轴、龙门架和电钻完成了运动装置的组装,并使用Workbench对装置稳定性进行模拟,装置整体稳定性良好,满足减材加工要求;利用控制卡、驱动器和相应的电机、电路完成了硬件系统的搭建,实现了对减材装置的运动和铣削控制;利用减材装置进行增减材制造的对比实验,结果表明减材后的试样表面质量得到改善,内部的层间夹杂变窄,激光熔覆层在刀具作用下发生加工硬化,导致熔覆层硬度提高,熔覆层内外质量均满足制动盘要求。最后,采用ANSYS有限元软件对制动盘的成形路径进行优化,利用生死单元技术模拟熔覆层的生长过程,内部生成热源的方式模拟激光能量,整个盘体分成6、8、12块扇形进行对序和顺序模拟。结果表明:12块对序扫描时变形量和残余应力最小。利用上述激光熔覆工艺参数和减材铣削技术,结合数值模拟路径进行增减材制造,制备出1:1的高速列车制动盘,其表面激光熔覆层厚度为4mm。

关键词：制动盘激光熔覆减材装置有限元模拟增减材制造

SiCf/Ti-6Al-4V的激光熔覆工艺与界面产物研究

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SiCf/Ti-6Al-4V的激光熔覆工艺与界面产物研究

作者：林齐石家庄铁道大学

学位级别：硕士

SiC/Ti-6Al-4V复合材料结合了纤维和金属的优异性能,是非常理想的航空航天材料,但其传统制备方法有诸多局限。本课题基于叠层实体制造技术和激光熔覆沉积技术,提出了一种可以制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料的激光熔覆叠层复合增材制造技术,... 详细信息

SiC/Ti-6Al-4V复合材料结合了纤维和金属的优异性能,是非常理想的航空航天材料,但其传统制备方法有诸多局限。本课题基于叠层实体制造技术和激光熔覆沉积技术,提出了一种可以制备SiC/Ti-6Al-4V复合材料的激光熔覆叠层复合增材制造技术,并从纤维的表面处理、激光熔覆工艺参数及纤维与基体的界面产物三个方面进行研究。分别对无涂层、C涂层、Cu涂层和Ti-6Al-4V涂层SiC纤维在激光作用下的分解情况进行研究。结果表明:不同涂层对纤维的保护情况是:Ti-6Al-4V涂层>Cu涂层>C涂层>无涂层;成本较低的化学镀铜最佳工艺参数是:氢氧化钠2.5 g,反应时间60 min。针对SiC纤维在激光作用下易分解的特点,研究了保护气体流量、离焦量、送粉速率、激光功率和扫描速度对纤维分解情况的影响规律。结果表明:保护气体流量和离焦量最佳参数分别为15 L/min和1 mm;当激光功率大于225W小于300 W,扫描速度大于3 mm/s时,SiC纤维不发生分解;当激光功率大于300 W小于330 W,扫描速度大于4 mm/s时,SiC纤维不发生高温分解行为;当激光功率大于330 W小于360 W,扫描速度大于6 mm/s时,SiC纤维不发生高温分解行为;当激光功率为大于360 W小于400 W,扫描速度大于20 mm/s时,SiC纤维不分解;激光功率大于400 W,熔覆层内纤维完全分解。激光功率越小,扫描速度越大,纤维越不容易分解,优化的工艺参数区间为后续成形提供了依据。分别对有C涂层、Cu涂层和Ti-6Al-4V涂层的SiC/Ti-6Al-4V界面产物进行研究。结果表明,对于涂C层SiC/Ti-6Al-4V复合材料,当激光功率为300W、扫描速度为3 mm/s时,在纤维和基体的上部反应区,界面产物为C涂层、TiSi和TiC|TiC和TiSi|TiC和TiSi,在纤维和基体下部反应区,界面产物为C涂层、TiSi和TiC|TiC和TiSi(C)|TiC和TiSi(C);当激光功率为300W、扫描速度为20 mm/s时,界面产物为C涂层、TiSi和TiC|TiC。对于涂Cu层的SiC/Ti-6Al-4V复合材料,Cu涂层与纤维结合力极弱,在复合材料制备环节发生剥落。对于涂Ti-6Al-4V层SiC/Ti-6Al-4V的复合材料,界面产物为C涂层、TiSi和TiC|TiC。有Ti-6Al-4V涂层的SiC纤维与其他涂层的SiC纤维相比,与基体反应层薄,反应产物简单、化学性质稳定,是课题中最理想的涂层。

关键词： SiCf/Ti-6Al-4V复合材料激光熔覆叠层复合增材制造技术纤维分解纤维涂层界面产物