DED增材制造308L合金组织的演化控制研究

作     者：郭魏 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：戴挺;胡显军

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：DED 增材制造 有限元 晶粒组织 演化机理 

摘      要：增材制造,尤其金属增材制造,作为一项革命性、先进性制造技术,广泛应用于航空航天、生物医疗、工业模具和动力能源等相关领域。近年来,随着增材制造技术的日益完善和不断发展,全球航空航天,军用设备的快速发展也对增材制造金属构件出了更高的要求与期待。而这些金属构件的制造与其打印过程中晶粒形态控制与演化有着密切的联系,在一些典型的铸态晶粒调控方法难以使用的情况下,增材制造的晶粒形态控制表现出巨大的研究潜力。本课题主要从温度场出发,建立多道次直壁试样打印模型,实现了不同工艺参数下多道次直壁试样的模拟打印过程,探究了位于不同沉积层的熔池的温度场分布与热历史变化规律,并设计对照实验来测试与验证数值模拟的结果,二者结果总体变化趋势一致吻合较好,模拟结果具有较高的参考型和准确性。此外,通过模拟不同打印能量密度下的试样打印过程探究打印能量密度对熔池温度场变化的影响,实现对打印件温度场变化趋势进行预分析。在此基础上,以熔池模拟结果为指导方向,从增材制造热过程中探究了308L不锈钢晶粒组织演变的微观机理,探究了温度梯度G、凝固速度R以及G/R关系对层间的晶粒显微组织的演化影响。模拟与实验结果表示,随着沉积层数的增加,熔池温度梯度G以及G/R值不断减小,而凝固速度R不断增加。对于不同基板温度下308L不锈钢合金的打印过程中,由下端层至上端层的柱状晶粒尺寸随着基板温度的升高而增大,但柱状晶粒的体积分数却在减少,熔池顶部最后凝固区域形成等轴晶的倾向增加。最后利用温度梯度对熔池晶粒组织的演化规律并选取适当的G/R值所对应的工艺参数进行实验打印验证。探究了不同的G/R值对于熔池的晶粒组织调控的可行性与规律。并利用升降平台装置实现了打印过程中对熔池温度梯度的动态调控,使用高G/R值、低G×R值工艺参数打印出了大尺寸柱状晶试样,其柱状晶尺寸平均宽度221.8±39.7μm,平均高度大约为6.5±0.7 mm,是正常打印样品的8～10倍,对于探索完全单向柱状晶打印工艺策略有着重要的科研和实际意义。