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作者：王孔孔西安建筑科技大学

学位级别：硕士

镁合金被视为最轻结构金属材料,广泛应用于军工、医疗等领域。传统加工方式制备的镁合金零部件产生的缺陷限制其发展。开发新型近终形成型技术可以有效满足镁合金的高端应用。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术以具有高能... 详细信息

镁合金被视为最轻结构金属材料,广泛应用于军工、医疗等领域。传统加工方式制备的镁合金零部件产生的缺陷限制其发展。开发新型近终形成型技术可以有效满足镁合金的高端应用。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术以具有高能量的激光束作为加工热源,在计算机辅助下使得金属粉末快速凝固和冷却后得到复杂净成型零部件。但是目前对镁合金SLM技术的缺陷形成机理研究不足。本文选用mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr合金粉末为实验原料,从工艺参数和扫描策略两个角度系统地研究了合金的缺陷形成机理。使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线扫描仪(XCT)、显微硬度仪器及万能力学试验机等设备研究了镁合金SLM样品的成形性和机械性能,主要研究结论如下:扫描策略直接改变激光扫描路径,使得样品的热历史、热循环产生差异。小分区方式产生的球化颗粒导致冶金结合不足,大分区方式内熔滴优先凝固行为造成了孔隙以及粉末在分区边界的堆积。短扫描矢量造成熔池内反冲压力升高而产生了气孔和匙孔缺陷。未熔合缺陷的填充以及相邻熔池内的气孔和匙孔缺陷连接将会形成不规则孔隙缺陷。0°和90°的层间旋转角有利于气孔和匙孔的释放,但会导致孔隙缺陷逐层积累。37°和67°的层间旋转角抑制孔隙缺陷积累。工艺参数直接影响激光能量密度,导致粉末吸收的热输入不同。激光功率在60～80 W,扫描速度在300～700 mm/s时单道次成形性优异。扫描间距为80μm,重叠率为41%时相邻熔道紧密相连,熔道表面没有球化颗粒或孔隙缺陷,块体表面致密度高,粗糙度低。激光功率和扫描速度直接造成能量密度产生差异,导致样品中产生不同缺陷。能量密度低于83.3 J/mm时金属粉末不能被完全熔化产生了未熔合缺陷,同时高粘度金属液体会阻碍对孔隙的填充。能量密度高于166.7J/mm时产生球化现象,反冲压力的增加导致产生飞溅颗粒,球化和飞溅颗粒共同作用导致层间冶金结合强度下降。能量密度为125 J/mm,扫描策略为岛屿尺寸4×4 mm,层间旋转角度为67°时样品性能最佳:平均显微硬度为95.64 HV,压缩屈服强度和极限强度达到301.8±5 MPa和467.9±5 MPa。

关键词： mg-y-sm-zn-zr 选区激光熔化致密化孔隙缺陷力学性能

mg-y-sm-zn-zr镁合金激光选区熔化成形工艺研究

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Mg-Y-Sm-Zn-Zr镁合金激光选区熔化成形工艺研究

作者：贺轮西安建筑科技大学

学位级别：硕士

镁合金作为最轻的金属结构材料在轻量化领域具有广阔前景,但镁合金高温力学性能差,限制了其工业应用。研制新型耐热镁合金并开发近终形成形工艺是近年的研究热点。激光选区熔化(SLM)是一种基于逐层成形工艺的增材制造技术,不仅可加工传... 详细信息

镁合金作为最轻的金属结构材料在轻量化领域具有广阔前景,但镁合金高温力学性能差,限制了其工业应用。研制新型耐热镁合金并开发近终形成形工艺是近年的研究热点。激光选区熔化(SLM)是一种基于逐层成形工艺的增材制造技术,不仅可加工传统工艺难以实现的复杂形状,同时在快速凝固作用下材料偏离热力学平衡可以改善微观组织。当前,关于多组元稀土镁合金SLM工艺研究的相关报道较少。本文选择课题组前期研究的mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr耐热镁合金为实验材料,采用机械研磨的方法制备了合金粉体。从激光功率、扫描速度和粉层厚度等工艺参数出发探索了合金的SLM成形工艺,并通过光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、显微和纳米硬度测试仪等设备,分析了合金SLM试样的成形性、微观组织和显微硬度。主要研究结果如下:制备了满足SLM成形工艺要求的合金粉体。在球磨时间为6 h,转速为400rpm时,粒径小于70μm的粉体收得率最高为97.34%,粉体形貌由不规则片层状变为颗粒状,粒径分布为40～70μm,平均粒径为55μm。工艺参数影响SLM成形质量。当激光功率为30 W时,试样出现了较为严重的“球化”和空隙缺陷;当激光功率增加到50 W时,mg元素蒸发产生的反冲压力使试样出现了较多的圆形孔隙。随着激光功率从30 W增加到60 W,成形试样中镁元素的含量与合金名义成分相比均未出现严重的元素蒸发。在激光功率为40W、扫描速度为300 mm/s、粉层厚度为20μm以及扫描间距为80μm时,SLM成形试样的致密度最高为98.6%。与铸态微观组织不同,SLM成形试样的微观组织主要由mg基体、共晶相(mg,zn)(y,sm)和yO组成,未发现铸态组织中的mg(y,sm)zn共晶相和片层状LPSO结构。在扫描轨迹中心区域晶粒形态为细小的等轴晶,其平均晶粒尺寸为1～3μm;在相邻激光光斑间的重叠区域主要为柱状晶。SLM成形试样横截面的显微硬度平均为105 HV,垂直截面为95 HV,均大于铸态合金的显微硬度(81.5HV)。纳米压痕实验发现,共晶相(mg,zn)(y,sm)的纳米硬度远高于mg基体,因而显著提高了SLM成形试样的显微硬度。实验合金SLM成形试样的硬化机制为晶界硬化和固溶硬化。

关键词： mg-y-sm-zn-zr 激光选区熔化成形性微观组织显微硬度

选区激光熔化成形mg-y-sm-zn-zr应力场数值模拟

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选区激光熔化成形Mg-Y-Sm-Zn-Zr应力场数值模拟

作者：徐蓉蓉西安建筑科技大学

学位级别：硕士

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)被认为是一种具有广泛前景的增材制造技术,可用于制造镁合金轻质结构件。然而在实际生产过程中,由于受到激光热源影响材料内部温度梯度大,导致成形结束后零件内残留较大应力使其变形失效,其... 详细信息

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)被认为是一种具有广泛前景的增材制造技术,可用于制造镁合金轻质结构件。然而在实际生产过程中,由于受到激光热源影响材料内部温度梯度大,导致成形结束后零件内残留较大应力使其变形失效,其不稳定的零件质量阻碍了该技术的应用发展。数值模拟技术能够低成本、高效地对SLM过程进行深入剖析,现已成为研究热应力演化的重要手段。本文以mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr合金为研究对象,基于热-结构顺序耦合三维有限元模型,考虑了材料非线性热物性参数以及各向异性热导率增强因子,降低了忽略熔池对流产生的精度误差。分析了单层扫描和块体成形的热-力演化行为,研究了工艺参数(激光功率50～80 W和扫描速度0.2～0.5 m/s)、单层扫描方式(连续扫描、分区扫描和正交扫描)以及多层扫描策略(0°、37°、67°和90°层间旋转)对热-应力影响规律,并据此对SLM工艺策略进行了选择优化,同时通过实验对仿真结果进行了验证。研究结果表明:随着激光功率的减小和扫描速度的增加,熔池峰值温度和液相存留时间随之减小。不同扫描方式对热行为影响明显,4×4分区扫描时的瞬时峰值温度(817.20℃)与长边往复扫描相比降低了15.82%。在多层成形中,不同层之间存在重熔作用,随着层间夹角的增大,峰值温度先降低后升高,67°旋转扫描获得了相对最低的峰值温度(1133.35℃)。随着激光功率的减小和扫描速度的增加,σ、σ应力不断增大,而等效应力随激光功率和扫描速度的增大呈现出先减小后增大的趋势。当P=60 W、v=0.3 m/s时,各应力分布最均匀且应力值较低。分区扫描能够减小沉积层高应力区,并且分区内部残余应力随分区数量增加而减小;正交扫描能够改善界面处应力集中的问题;层间旋转角能够降低沉积层整体的应力水平,并起到减小X和y方向的残余应力差的作用。4×4分区正交扫描和37°旋转扫描均获得了最低的平均等效应力、S11应力和S22应力,并且应力分布最均匀,得出这两种扫描方式为最优扫描策略。在数值模拟的基础上,对稀土镁合金SLM试样进行了实验表征。得出实验熔池尺寸与模型预测误差为7.26%和9.95%,熔道形貌θ误差值在2.24%以内,残余应力值与实验结果基本吻合,从而在多个尺度上验证了模型的可靠性。

关键词： mg-y-sm-zn-zr 选区激光熔化数值模拟温度场残余应力

选区激光熔化成形mg-y-sm-zn-zr合金的凝固行为研究

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选区激光熔化成形Mg-Y-Sm-Zn-Zr合金的凝固行为研究

作者：杨鑫西安建筑科技大学

学位级别：硕士

稀土镁合金因其质量轻、比强度高等优点可广泛应用于航空航天、汽车制造等领域,但传统铸造生产的镁合金铸件易出现组织缺陷,影响力学性能。开发新型的近终型成形技术是扩大镁合金工业应用的迫切需求。选区激光熔化(Selective laser melt... 详细信息

稀土镁合金因其质量轻、比强度高等优点可广泛应用于航空航天、汽车制造等领域,但传统铸造生产的镁合金铸件易出现组织缺陷,影响力学性能。开发新型的近终型成形技术是扩大镁合金工业应用的迫切需求。选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)是一种使用激光热源迅速熔化金属粉体并在快速冷却下产生非平衡凝固组织的增材制造技术,在计算机模型辅助下可以直接加工任意复杂形状的产品。相比其他高熔点金属,镁合金的SLM技术仍处于起步探索阶段,成形过程的非平衡凝固行为需要深入的研究。本文基于课题组SLM工艺研究的前期基础,选择mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr合金为实验材料,系统研究了SLM过程中从熔道到块体的凝固行为。通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及万能力学试验机等手段测试分析了熔道到块体的成形性、微观组织和力学性能。主要结论如下:激光功率在40～80 W之间可获得较稳定熔道,呈现“驼峰状”特征。随着激光功率升高,单个熔道变宽,熔道截面的熔池变深,在较大的反冲压力下均呈现锁孔模式。单个熔池的微观组织主要由胞状晶组成。由于熔道的稳定使得块体成型性较好,在60 W时获得最高的相对致密度(97.8%)。激光功率影响块体组织的晶粒大小,而层间夹角影响晶粒形态。随着激光功率从60 W增到100 W,块体组织的晶粒形态没有发生显著变化,但晶粒尺寸逐渐减小;扫描策略选择层间夹角0°时由于逐层相同的热流方向在块体组织中产生大量的柱状晶,增大层间夹角有利于抑制柱状晶和促进等轴晶生长。由于重熔和持续热影响,块体组织发生晶粒粗化并析出盘状(mg,zn)(y,sm)相,与镁基体呈现[01(?)0]//[111];(0002)//((?)20)的取向关系。单质zr为有效的异质形核质点,而yO则因为晶体结构与镁相差过大无法作为有效的异质形核质点。能量密度为125.7 J/mm时,SLM成型试样的压缩性能达到最佳(屈服强度:304 Mpa,极限强度:394 Mpa)。相比于铸态试样,SLM成型试样的压缩屈服极限提升主要是通过细晶强化实现,析出强化对屈服极限的提升较小,而固溶强化因为后续的热影响而降低了固溶强化效果。

关键词： mg-y-sm-zn-zr 选区激光熔化凝固行为微观组织压缩性能

热处理工艺对mg-y-sm-zn-zr合金组织和性能的影响

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热处理工艺对Mg-Y-Sm-Zn-Zr合金组织和性能的影响

作者：邱玉龙西安建筑科技大学

学位级别：硕士

镁合金作为最轻的工程结构材料,具有比重小、比强度高、减振性好等优点,被誉为21世纪绿色工程金属结构材料。但当温度升高时镁合金的强度和抗蠕变性能会大幅降低,使其难以作为构件材料在国防和汽车工业领域广泛使用。镁合金中添加稀土... 详细信息

镁合金作为最轻的工程结构材料,具有比重小、比强度高、减振性好等优点,被誉为21世纪绿色工程金属结构材料。但当温度升高时镁合金的强度和抗蠕变性能会大幅降低,使其难以作为构件材料在国防和汽车工业领域广泛使用。镁合金中添加稀土是提高耐热性能最有效的方法之一,在不增加稀土含量的前提下,热处理强化是进一步提高稀土镁合金的力学性能的有效办法,开发高强耐热稀土镁合金是近年来的重要研究方向。本文在课题组具有自主知识产权的mg-y-sm-zn-zr合金的基础上,通过成分优化制备了mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr合金,选择不同的热处理工艺对合金进行了热处理。采用光学显微镜(OM)、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和室温拉伸试验分别检测了铸态和不同热处理态的合金显微组织和力学性能,并对不同状态下合金的组织结构演变、断裂方式及强化机理进行了分析和研究。确定了实验合金的最佳热处理工艺。研究结果表明:铸态合金的显微组织呈细小等轴晶状,其平均晶粒大小为21μm,主要组织由(mg,zn)(y,sm)和mg(y,sm)zn和层状LPSO结构组成。通过DSC热分析,共晶相(mg,zn)(y,sm)熔点为502.7℃,α-mg熔点为615.5℃。铸态合金在室温条件下的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为122.3MPa、191.5MPa和5.7%,其断裂行为为沿晶脆性断裂。经过500℃×15h(热水淬火)固溶热处理后,晶粒尺寸没有明显长大,合金第二相发生固态相变但没有改变物相种类,固溶态合金由α-mg+球状(mg,zn)(y,sm)相+长条状mg(y,sm)zn相组成。高温固溶后,随着冷却速率的减缓,晶粒内部析出层状LPSO结构。采用热水淬火(80℃)获得最佳的屈服强度、抗拉强度和延伸率分别为119.4MPa、245.3MPa和21.4%。试样的断裂行为由沿晶脆性断裂转变为穿晶准解理断裂,其强化方式主要相变强化。固溶态合金经过225℃×40h(空冷)时效处理后,合金达到峰值时效78.55HV,室温屈服强度、抗拉强度和延伸率分别达到170.0MPa、260.8MPa和14.1%,强化方式主要为析出强化。mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr合金的最佳热处理工艺为500℃×15h(热水淬火)+225℃×40h(空冷)。进行固溶+时效热处理显著提高了合金的力学性能,与铸态合金相比,屈服强度和抗拉强度分别提高了39%和36%。

关键词： mg-y-sm-zn-zr 固溶热处理时效热处理显微组织力学性能

y、sm元素在mg-y-sm-zn-zr合金腐蚀中的作用研究

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Y、Sm元素在Mg-Y-Sm-Zn-Zr合金腐蚀中的作用研究

作者：柯静西安建筑科技大学

学位级别：硕士

镁合金抗腐蚀性能差是制约其广泛应用的关键问题之一。稀土元素可以直接与α-mg基体反应生成第二相从而有效的提高镁合金的抗腐蚀性能,开发新型混合稀土镁合金并研究稀土元素在腐蚀中的作用机理是当前研究热点,也是促进镁合金工业应用... 详细信息

镁合金抗腐蚀性能差是制约其广泛应用的关键问题之一。稀土元素可以直接与α-mg基体反应生成第二相从而有效的提高镁合金的抗腐蚀性能,开发新型混合稀土镁合金并研究稀土元素在腐蚀中的作用机理是当前研究热点,也是促进镁合金工业应用的迫切需求。本文选择mg-y-sm-zn-zr合金为实验合金,通过X射线荧光光谱(XRF)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等测试手段,研究了y、sm元素变化对实验合金微观组织和腐蚀性能的影响,并分析了两种元素及析出第二相在合金腐蚀过程中的作用机理。主要结果如下:铸态mg-xy-ysm-2.6zn-0.8zr(x=2.0、3.4、6.0、8.0,y=2.0、3.6、6.0)合金微观组织由mg基体、(mg,zn)(y,sm)相和mg(y,sm)zn相组成,mg(y,sm)zn相含量与y元素含量成正比,而(mg,zn)(y,sm)相含量与sm含量成正比。当y元素含量由2.0%增加至8.0%,铸态合金的晶粒逐渐长大,mg(y,sm)zn相占比随之增长,y含量为2.0%时,合金微观组织中未观察到mg(y,sm)zn相。y元素含量由6.0%增加至8.0%,mg(y,sm)zn相组分由26.43%增长至46.72%;当sm元素含量由2.0%增加至6.0%,合金的晶粒有长大行为,(mg,zn)(y,sm)相组分随之增加,由13.32%增加至39.83%。两种第二相在合金腐蚀过程中发挥不同的作用,网状(mg,zn)(y,sm)相与α-mg基体存在电势差形成电偶而优先发生腐蚀,对基体起到保护作用;mg(y,sm)zn相为一种长期有序结构(LPSO),其相电位与基体相一致,在腐蚀过程中减少了(mg,zn)(y,sm)相与α-mg基体形成的电偶对,使腐蚀更均匀。合金的腐蚀性能不随y、sm含量变化发生显著变化,其腐蚀过程均为阴极过程控制。铸态mg-xy-ysm-2.6zn-0.8zr y合金的腐蚀机理为电偶腐蚀,(mg,zn)(y,sm)相与α-mg基体形成电偶。mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr合金表现出最佳腐蚀性能,原因是由于其反应过程中存在较大的阻抗值降低了腐蚀电流,从而减缓了腐蚀速率。此时合金的y、sm含量为3.4:3.6,mg(y,sm)zn相与(mg,zn)(y,sm)相两相占比为26.43%:28.25%,比例相近1:1。对mg-3.4y-3.6sm-2.6zn-0.8zr合金进行T61热处理后晶粒尺寸增大,晶间网状的熔断为点状,与mg(y,sm)zn相相间分布。热处理后合金的腐蚀过程由阳极反应控制,腐蚀性能劣于铸态合金,这与(mg,zn)(y,sm)相的熔断减少有关。

关键词： mg-y-sm-zn-zr 微观组织热处理电偶腐蚀