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激光粉末床熔化制备TiB_(2)颗粒增强7050铝基复合材料的组织及性能研究(特邀)

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中国激光 2024年第4期51卷 173-181页

作者：王安唐梓珏吴一王浩伟王洪泽上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海交通大学安徽(淮北)陶铝新材料研究院安徽淮北235000

采用激光粉末床熔化(LPBF)工艺制备TiB_(2)质量分数为7%的原位自生7050铝基复合材料,研究了沉积态及热处理(在475℃的条件下固溶处理1 h后,再在120℃的条件下时效处理12 h)后TiB_(2)/7050复合材料的微观组织和室温拉伸性能的变化。结果... 详细信息

采用激光粉末床熔化(LPBF)工艺制备TiB_(2)质量分数为7%的原位自生7050铝基复合材料,研究了沉积态及热处理(在475℃的条件下固溶处理1 h后,再在120℃的条件下时效处理12 h)后TiB_(2)/7050复合材料的微观组织和室温拉伸性能的变化。结果表明:纳米量级尺寸TiB_(2)颗粒的加入能显著抑制LPBF成形7050铝合金裂纹的产生,且采用LPBF工艺制备的TiB_(2)/7050复合材料表现出较好的成形性。在激光功率为240 W、扫描速度为450 mm/s及扫描间距为75μm的工艺参数组合下,沉积态TiB_(2)/7050复合材料的最大抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为(282±4) MPa、(246±4) MPa和(2.5±0.2)%;热处理后,TiB_(2)/7050复合材料的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别达到(346±5) MPa、(289±5) MPa和(4±0.2)%。此结果接近现有文献报道的第二相颗粒增强7050铝合金的力学性能,并进一步降低了粉末制备成本。采用LPBF工艺制备的TiB_(2)/7050复合材料的主要强化机制是析出相强化、位错强化、晶界强化及TiB_(2)和第二相颗粒带来的Orowan强化,热处理后获得较好的综合室温拉伸性能。

关键词：激光技术激光粉末床熔化 TiB_(2)/7050复合材料热处理力学性能

激光粉末床熔化FeCoNiCrMn高熵合金微观组织及性能的研究

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激光粉末床熔化FeCoNiCrMn高熵合金微观组织及性能的研究

作者：马正航山东大学

学位级别：硕士

激光粉末床熔化(Laser powderbed fusion,LPBF)是一种重要的增材制造技术。该技术通过激光作为能源,材料在粉末床中选择性熔化和烧结,最后快速冷却,形成具有良好冶金结合的零件。高熵合金由于独特的高熵效应和晶格畸变效应,表现出高强... 详细信息

激光粉末床熔化(Laser powderbed fusion,LPBF)是一种重要的增材制造技术。该技术通过激光作为能源,材料在粉末床中选择性熔化和烧结,最后快速冷却,形成具有良好冶金结合的零件。高熵合金由于独特的高熵效应和晶格畸变效应,表现出高强度、高硬度、高耐磨性等优良性能,其设计方法极大拓展了传统合金体系,为工业发展和学术研究提供了巨大的潜力和可能。FeCoNiCrMn是研究较为成熟的高熵合金,又称Cantor合金,其优异的塑性、断裂韧性和低温性能引发了人们广泛关注。然而,其强度的不足极大的限制了工程上的应用,如何提高FeCoNiCrMn的强度是提高其广泛工程应用的现实问题。目前,通过传统手段制备的FeCoNiCrMn强度较低,远远无法满足工程领域的需求,且铸造工艺制备的FeCoNiCrMn缺陷、偏析较多。通过颗粒增强FeCoNiCrMn的手段被广泛使用,常见的陶瓷颗粒增强能提高FeCoNiCrMn的强度,但往往使塑性大幅度降低,提高FeCoNiCrMn性能需要寻找更加合适的颗粒增强元素。因此,本研究使用LPBF技术制备FeCoNiCrMn及FeCoNiCrMn金属颗粒增强材料。首先,通过LPBF技术制备了 FeCoNiCrMn和FeCoNiCrMn-5MG(非晶)增强材料,由于非晶合金具有超高的强度、硬度以及耐磨性,考虑将非晶合金作为添加剂加入FeCoNiCrMn粉末中。制备出的FeCoNiCrMn-5MG材料表现出优异的力学性能,通过多种强化机制提高FeCoNiCrMn的强度,添加铁基非晶后的FeCoNiCrMn-5MG材料的拉伸屈服强度为675 MPa,比LPBF制成的FeCoNiCrMn(520 MPa)提高了 29.8%,平均硬度为241.9HV,比LPBF制成的FeCoNiCrMn(214.6HV)提高了 12.7%。同时,增强材料强度提升而塑性仍保持在良好的水平。与FeCoNiCrMn相比,FeCoNiCrMn-5MG的腐蚀电流密度降低了 18.9%,耐腐蚀能力显著提高。通过添加铁基金属玻璃,获得了高强度、高耐蚀性的FeCoNiCrMn-5MG增强材料,为今后制备高力学性能的HEA(High entropy alloy)提供了可行的途径。其次,制备了 FeCoNiCrMn-TC4增强材料,旨在提高其力学性能和摩擦磨损性能。结果表明,加入TC4粉末后,FeCoNiCrMn的相组成没有发生变化,仍为FCC单相结构。FeCoNiCrMn-TC4的屈服强度为758 MPa,相比FeCoNiCrMn的屈服强度增长45.8%。增强材料的硬度为295.7 HV,优于FeCoNiCrMn的214.6 HV。对样品进行摩擦磨损实验,FeCoNiCrMn-TC4具有更低的磨损率及动摩擦系数。随着滑动速度的增加,动摩擦系数的波动范围增大,磨损率也逐渐增大。FeCoNiCrMn高熵合金的磨损机理没有发生变化,FeCoNiCrMn高熵合金的磨损机理以磨粒磨损为主,伴有少量的粘着磨损,加入钛合金粉末后,FeCoNiCrMn-TC4增强材料的磨损机理以粘着磨损为主。最后通过LPBF技术制备了 FeCoNiCrMn-Mo增强材料,分析了增强材料的物相、显微组织、强度、硬度和摩擦磨损性能。结果表明,增强材料的屈服强度和硬度均高于FeCoNiCrMn。对样品进行摩擦磨损性能测试,改变载荷为1N、2N和3N,随着载荷的增加,FeCoNiCrMn高熵合金的磨损机理从轻微的磨粒磨损变为严重的磨粒磨损和粘着磨损。对样品磨痕的粗糙度进行测定,结果表明FeCoNiCrMn-Mo增强材料的磨损表面更加平滑,接触时摩擦力更小,这减小了应力集中的可能,在1N和2N载荷下只有较轻的磨粒磨损,而载荷为3N时,具有磨粒磨损和粘着磨损。结果表明,加入Mo可以有效的提高FeCoNiCrMn高熵合金的摩擦磨损性能。

关键词：激光粉末床熔化 FeCoNiCrMn 力学性能耐腐蚀性能摩擦磨损性能

激光粉末床熔化钛合金多孔结构设计与性能研究

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激光粉末床熔化钛合金多孔结构设计与性能研究

作者：金梦霞重庆大学

学位级别：硕士

本课题针对航天航空、汽车工业、机械零部件设计等轻量化设计的需求,以激光粉末床熔化(laser powder bed fusion,L-PBF)技术成形的金属多孔结构为研究对象。本课题运用有限元理论与实验,研究多孔结构的力学性能以及实现轻量化性能优越... 详细信息

本课题针对航天航空、汽车工业、机械零部件设计等轻量化设计的需求,以激光粉末床熔化(laser powder bed fusion,L-PBF)技术成形的金属多孔结构为研究对象。本课题运用有限元理论与实验,研究多孔结构的力学性能以及实现轻量化性能优越的变密度多孔结构的设计为目标。此外,由于多孔结构的几何复杂性和单元数目过多,需要大量耗时的仿真计算工作来评估其机械性能,特别是对于结构的轻量化设计应用过程。因此,我们希望在较短的设计周期内找到一种等效策略来评估结构的力学性能。论文主要内容如下:(1)本文基于均匀化理论提出各向同性和各向异性两种等效策略在更短的时间内来获取等效的数值模拟结果。以单单元的多孔结构设计为基础,提出了两种经典多孔结构,TPMS(Triply periodic minimal surface)结构和桁架结构的两种设计方法。TPMS结构通过程序进行结构的stl格式构建,并标定了TPMS结构的壁厚参数与体积分数的关系函数。桁架结构采用CAD模型设计方法,通过改变单向立方体域的单向尺寸,得到各向异性结构,通过改变杆径比来完成不同体积分数的桁架结构构建。(2)利用数值模拟方法得到TPMS结构的等效弹性模量和屈服强度,并且采用GA模型进行拟合获得对应的预测数学模型。对于各向异性的桁架结构的机械性能,给出剪切和压缩数值计算方法。随着体积分数的增加,TPMS结构和桁架结构的各向力学性能都在增强。(3)针对于各向同性的等效策略,本文采用了两个案例,一个是均质结构和另一个是三点弯曲实心梁。均质结构设计了常密度P和其对应的等效实体(EE),最终发现仿真结果误差仅在1.3%。本文以三点弯曲实心梁为案例,实现基于强度准则的结构轻量化设计过程,设计的轻量化样件体积分数为15.52%。该轻量化结构与等效实体的仿真误差为4.41%,在等效应力云图上应力分布趋势接近。各向同性策略的数值模拟时间和网格数目大幅减少,轻量化结构的仿真结果和实验结果的误差在20%以内。(4)针对各向异性的等效策略,设计了夹芯结构作为案例,发现夹芯结构和等效实体的误差相对于各向同性的等效策略较大。等效策略的变化趋势与实验结果较为接近,可以作为趋势预测。成型的夹芯结构的制造误差在均在-1.87%,波动在-13.93%到2.78%,相较于P结构的成形质量好,并探究了设计参数对夹芯结构力学性能的影响。

关键词：激光粉末床熔化多孔结构轻量化均匀化理论力学性能

激光粉末床熔化成形多孔结构压缩性能及数值模拟

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激光与光电子学进展 2021年

作者：陈润平张冬云胡松涛徐仰立黄婷婷张龙刘智远北京工业大学材料与制造学部激光工程研究院北京市数字化医疗3D打印工程技术研究中心

人体骨骼为层级结构，由密度、强度较高的密质骨和密度较低、内含血管的松质骨组成。因此，人体植入物的结构和力学性能要与人体骨骼特征相匹配。本文基于人体自然骨的受力情况，采用激光粉末床熔化（LPBF）技术成形了拓扑优化方法设计... 详细信息

人体骨骼为层级结构，由密度、强度较高的密质骨和密度较低、内含血管的松质骨组成。因此，人体植入物的结构和力学性能要与人体骨骼特征相匹配。本文基于人体自然骨的受力情况，采用激光粉末床熔化（LPBF）技术成形了拓扑优化方法设计的钛合金多孔结构，然后通过压缩实验和数值模拟对多孔结构的力学性能和变形失效模式进行了分析，发现数值模拟与实验结果具有较高的一致性。最后，通过与人体自然骨的力学性能进行对比，结合多孔结构的失效模式获得了可适用于人体植入物的多孔材料。

关键词：激光粉末床熔化拓扑优化多孔结构骨植入体力学性能

固溶温度对激光粉末床熔化GH3536合金组织演变及力学性能影响

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焊接学报 2022年第8期43卷 73-79,I0008页

作者：马瑞刘林川王亚军白洁檀财旺宋晓国北京动力机械研究所北京100074 哈尔滨工业大学(威海) 山东省特种焊接技术重点实验室威海264209 哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室哈尔滨150001

利用激光粉末床熔化(laser powder bed melting, LPBF)制造GH3536镍基高温合金,通过研究不同激光功率和扫描速度对缺陷数量的影响,进行工艺参数优化.为了缓解沉积态组织的各向异性,消除残余应力,对LPBF制造合金进行固溶处理,探究不同固... 详细信息

利用激光粉末床熔化(laser powder bed melting, LPBF)制造GH3536镍基高温合金,通过研究不同激光功率和扫描速度对缺陷数量的影响,进行工艺参数优化.为了缓解沉积态组织的各向异性,消除残余应力,对LPBF制造合金进行固溶处理,探究不同固溶温度对组织及力学性能影响规律.借助扫描电子显微镜(SEM)和配套的电子背散射仪(EBSD)对试样的显微组织进行观察,并进行力学性能测试.结果表明,随着固溶温度的升高,沉积态熔池轮廓消失,碳化物溶解,小角度晶界数量减少. 1 100℃固溶试样常温拉伸的屈服强度为450 MPa,随着固溶温度的升高,小角度晶界对位错运动的阻碍减弱,屈服强度降低,经过1 220℃固溶,试样屈服强度为315 MPa.1 100℃固溶试样的高温抗拉强度为220 MPa,高温拉伸时碳化物沿晶界析出导致晶界脆化,随着固溶温度的增加,沿晶界分布的碳化物数量减少,抗拉强度逐渐增大.

关键词：激光粉末床熔化镍基合金热处理组织演变力学性能

激光粉末床熔化W-21Re-C合金的成形与微观组织研究

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中国钨业 2022年第3期37卷 14-23页

作者：陈金瀚赵聪聪刘伟清华大学材料学院北京100084 季华实验室广东佛山528000

为了实现激光粉末床熔化技术(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)成形钨的裂纹抑制,本研究通过添加铼元素和碳元素,成功制备了W-21Re-C合金,并对其成形性、微观组织和力学性能进行了研究。结果发现,LPBF制备W-21Re-C合金的成形窗口较窄,并... 详细信息

为了实现激光粉末床熔化技术(Laser Powder Bed Fusion,LPBF)成形钨的裂纹抑制,本研究通过添加铼元素和碳元素,成功制备了W-21Re-C合金,并对其成形性、微观组织和力学性能进行了研究。结果发现,LPBF制备W-21Re-C合金的成形窗口较窄,并存在一定数量的孔洞和裂纹缺陷,但相较于纯钨裂纹有所减少。LPBF成形W-21Re-C合金中形成了大量六方W_(2)C亚结构,在快速凝固的作用下,体系中微纳尺度亚结构呈现为枝晶结构和胞状结构。合金中铼元素主要以固溶形式存在于钨基体中,W_(2)C亚结构的枝晶臂间隙和胞壁处也存在一定的铼元素偏聚。在铼对钨基体固溶强化和W_(2)C胞状结构的共同作用下,LPBF成形W-21Re-C合金的显微硬度显著高于良好LPBF成形的纯钨。

关键词：激光粉末床熔化钨-铼-碳亚结构碳化二钨裂纹

铝基复合材料激光粉末床熔化增材制造研究现状

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铸造技术 2023年第7期44卷 583-598页

作者：朱昌隆王洪泽郭利萍唐梓珏母杰瑞吴一黄洁胡凯明王浩伟上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海交通大学安徽(淮北)陶铝新材料研究院安徽淮北235000 上海飞机制造有限公司上海201324

采用激光粉末床熔化技术制备铝基复合材料在航空航天、军工、交通运输等领域显示出了深远的研究前景,向铝合金引入纳米增强体的种类、引入方式以及含量对铝合金可打印性、组织、力学性能产生的影响是学者们的关注热点。本文主要总结分析... 详细信息

采用激光粉末床熔化技术制备铝基复合材料在航空航天、军工、交通运输等领域显示出了深远的研究前景,向铝合金引入纳米增强体的种类、引入方式以及含量对铝合金可打印性、组织、力学性能产生的影响是学者们的关注热点。本文主要总结分析了TiB2、石墨烯、TiC纳米增强体对激光粉末床熔化技术制备铝合金的晶粒形态、晶粒尺寸、相对密度、可打印性和力学性能的影响,进行了不同纳米增强体对打印态铝合金力学性能影响的对比,分析得出以TiB2为代表的纳米增强体能够提升打印态铝合金的强度、塑性,使其具有良好的综合力学性能,最后提出了该研究领域在未来的进一步发展趋势。

关键词：增材制造激光粉末床熔化铝基复合材料纳米增强体

原位自生2%TiB_(2)颗粒对2024Al增材制造合金组织和力学性能的影响

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金属学报 2023年第1期59卷 169-179页

作者：孙腾腾王洪泽吴一汪明亮王浩伟上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室上海200240 上海交通大学安徽(淮北)陶铝新材料研究院淮北235000

采用激光粉末床熔化(laser powder bed fusion,L-PBF)工艺制备含2%(质量分数)原位自生TiB_(2)颗粒的2024Al-2%TiB_(2)合金和难打印2024Al合金,研究了TiB_(2)颗粒对经固溶(510℃处理1 h后水冷)和T6 (固溶处理后人工时效)热处理后增材制造... 详细信息

采用激光粉末床熔化(laser powder bed fusion,L-PBF)工艺制备含2%(质量分数)原位自生TiB_(2)颗粒的2024Al-2%TiB_(2)合金和难打印2024Al合金,研究了TiB_(2)颗粒对经固溶(510℃处理1 h后水冷)和T6 (固溶处理后人工时效)热处理后增材制造2024Al合金组织和室温拉伸性能的影响。由于L-PBF冷却速率较快以及TiB_(2)颗粒的添加,2024Al-2%TiB_(2)合金微观组织以等轴晶为主,平均晶粒尺寸约为5.8μm。T6热处理之后,2024Al合金的抗拉强度、屈服强度和伸长率分别为(261.3±4.3) MPa、(252.6±2.5) MPa和(0.3±0.1)%;2024Al-2%TiB_(2)合金抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到(458.2±6.5) MPa、(398.4±2.7) MPa和(3.4±0.4)%;2种合金中析出大量均匀分布、尺寸细小的长条状析出相。T6态2024Al-2%TiB_(2)增材制造合金的抗拉强度与2024Al增材制造合金相比提高75.5%,其强度与2024Al锻造合金强度相当。合金的主要强化机制是位错强化、晶界强化、析出相强化和TiB_(2)颗粒带来的Orowan强化以及载荷传递强化,2种合金热处理后的拉伸断裂失效主要由缺陷控制。原位自生2024Al-2%TiB_(2)增材制造合金成形性较好,经热处理后获得较高的综合室温拉伸性能。

关键词：激光粉末床熔化 2024Al合金原位自生TiB_(2)颗粒热处理拉伸性能

激光粉床增材制造Al-Fe-Sc-Zr耐热铝合金组织与性能研究

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激光粉床增材制造Al-Fe-Sc-Zr耐热铝合金组织与性能研究

作者：王悦婷中南大学

学位级别：硕士

激光增材制造耐热铝合金在航空、航天和轨道交通等领域具有重要需求和应用前景。但增材制造过程中的极端非平衡凝固以及反复热循环极易导致成形样品开裂,因此急需开发针对增材制造专用的耐热铝合金。其既要满足“可打印性”,即不开裂;... 详细信息

激光增材制造耐热铝合金在航空、航天和轨道交通等领域具有重要需求和应用前景。但增材制造过程中的极端非平衡凝固以及反复热循环极易导致成形样品开裂,因此急需开发针对增材制造专用的耐热铝合金。其既要满足“可打印性”,即不开裂;又要满足“高耐热性”,即优异的高温性能(200-400℃)。基于此,本研究使用激光粉末床熔化(LPBF)技术成形Al-5Fe-1Mg-0.8Sc-0.7Zr耐热铝合金。这种非平衡合金成分选择基于:(1)激光快速凝固过程中,Fe元素在铝合金中的固溶度会显著增大,形成过饱和固溶体;(2)使用Sc和Zr元素细化组织,可以抑制微裂纹产生,提高合金强度。本文主要结论如下。(1)优化了打印参数,发现激光能量密度在83.3 J/mm时,可获得较佳致密度99.2%。显微组织为典型熔池堆积特征(熔池宽约150μm、深约200μm);熔池边界区呈现细等轴晶(直径0.2-1μm),内部为粗柱状晶(宽1-2μm、长10-20μm)。在熔池边界,α-Al晶粒周围存在大量AlFe、AlFe及初生Al(Sc,Zr)析出相;熔池内部为α-Al和AlFe的共晶组织。Fe在铝基体中最大固溶度可达5.58%。(2)揭示了LPBF非平衡凝固过程中及高温热暴露下合金组织的演化过程。非平衡凝固过程中固液界面处先形成AlFe相和初生Al(Sc,Zr)相,而剩余液相逐渐在熔池中心形成α-Al和AlFe的共晶组织。但在高温热暴露下,AlFe颗粒逐渐粗化,在300℃、100小时后逐渐溶解于基体中;350℃以上稳态AlFe相在过饱和基体中析出长大。400℃、200小时后,试样组织热稳定化,熔池内部与边界均为AlFe针状组织。(3)分析了室温及高温下不同强化机制,并计算了其贡献值。试样室温下屈服强度396 MPa,抗拉强度489 MPa,延伸率3.7%。200℃屈服强度300 MPa,抗拉强度376 MPa,延伸率为5.8%;300℃屈服强度237 MPa,抗拉强度260 MPa,延伸率为7.6%。室温及高温强度均较目前已被研究的LPBF Al-2.5Fe及Al-15Fe合金强度高20-50 MPa。室温下强化机制为固溶强化、细晶强化及沉淀强化,计算总贡献强度为450 MPa,略高于实际屈服强度396 MPa。由于高温下细晶强化几乎失效,固溶强化部分失效,沉淀粒子的粗化与生长能弥补大部分高温带来的基体软化。计算300℃时总贡献强度为230 MPa,较实际强度237 MPa稍低。本研究共有图43幅,表7个,参考文献99篇

关键词：激光粉末床熔化 Al-Fe-Sc-Zr Al-Fe金属间化合物高温拉伸热稳定性