选区激光熔化制备多孔316L不锈钢和多孔钛的研究

论文摘要

选区激光熔化是一种典型的快速原型制造技术,可以在没有工装夹具或模具的条件下,利用激光束将粉体材料熔融堆积而快速成形出任意复杂形状的三维零件。本文将选区激光熔化技术引入多孔金属制备领域,选用316L不锈钢、钛为基体,以NH4HCO3、TiH2粉末为造孔剂,成功制备出了多孔316L不锈钢和多孔Ti。利用XRD、SEM、EDX等分析和检测手段,研究了获得的多孔结构的物相、显微组织和成分,分析了造孔剂种类、含量及激光功率与扫描速率等激光工艺参数对成形的多孔试样显微组织特征和性能的影响规律;并阐述了不同造孔剂组分和激光工艺条件下多孔结构的成形机制。使用NH4HCO3粉末作为造孔剂成形多孔316L不锈钢时,在优化的工艺条件（NH4HCO3造孔剂含量为4.0 wt.%、激光功率800 W、扫描速率0.01 m/s）下,获得了新颖的蜂窝状微孔结构。该多孔结构中孔隙分布均匀,孔径在2～5μm之间,开孔孔隙率达到45%,多孔结构中不存在造孔剂残余物,具有较高的化学纯度。使用TiH2粉末作为造孔剂成形多孔316L不锈钢时,在激光功率650 W、扫描速率0.03 m/s工艺条件下,制备出平均孔径在亚毫米量级（约250～300μm）的多孔不锈钢,当TiH2造孔剂含量由2 wt.%增至10 wt.%时,多孔试样的孔隙率由28.7%增加到38.7%;此外,还研究了SiC陶瓷颗粒的加入对316L不锈钢/TiH2混合粉体SLM成形多孔结构的影响,研究表明SiC陶瓷的加入有利于获得较高的孔隙率,但同时也恶化了粉体成形性能。对TiH2/Ti粉末体系进行了SLM实验研究,在TiH2组分含量60 wt.%及激光功率1000 W、扫描速率0.02 m/s工艺条件下,成形出孔隙率为42.8%、平均孔径约350μm的多孔Ti试样,且大部分孔隙为近圆形,孔径分布较为均匀,分布范围为200–600μm。研究发现,在激光工艺过程中TiH2粉末除了充当造孔剂外,还可提供保护气氛,粉体成形时未发生显著氧化,保证了获得的多孔Ti结构具有较高的化学纯度。研究还发现,所用扫描速率对成形的多孔Ti试样的孔隙率及孔壁显微硬度有重要影响。在TiH2含量60 wt.%、激光功率固定为1000 W的实验条件下,当扫描速率由0.01 m/s增加到0.03 m/s时,多孔试样的孔隙率由32.4%增大到47.2%,而扫描速率进一步增至0.05 m/s时,多孔试样的孔隙率下降至18.4%;而多孔试样孔壁显微硬度随扫描速率的变化趋势与上述孔隙率的变化趋势相反,当扫描速率从0.01 m/s增加至0.03 m/s时,孔壁显微硬度从442.3 HV0.025降至403.6 HV0.025;扫描速率进一步增加至0.05 m/s时,孔壁显微硬度增加至430.9 HV0.025。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 多孔金属材料的结构与性能
• 1.1.1 多孔金属的结构特征
• 1.1.2 多孔金属的主要性能
• 1.2 多孔金属材料的应用
• 1.3 多孔金属制备研究现状分析
• 1.3.1 多孔金属主要制备方法概述
• 1.3.2 多孔金属制备存在的主要问题及对策
• 1.3.3 激光快速成形技术的引入
• 1.4 激光快速成形技术制备多孔金属研究现状
• 1.5 课题的主要研究内容
• 4HC0₃粉末体系选区激光熔化蜂窝状多孔结构的制备'>第二章 316L 不锈钢/NH₄HC0₃粉末体系选区激光熔化蜂窝状多孔结构的制备
• 2.1 实验
• 2.1.1 粉末制备
• 2.1.2 激光工艺
• 2.1.3 试样表征
• 2.2 多孔316L 不锈钢显微组织特征
• 2.2.1 不同激光功率下多孔结构衍变
• 2.2.2 高功率下蜂窝状多孔结构微观特征分析
• 2.2.3 造孔剂含量对孔隙特征的影响
• 2.3 蜂窝状微孔结构成形机制
• 2.3.1 气体的产生
• 2.3.2 成形机制分析
• 2.4 本章小结
• 2及SiC 的加入对激光熔化多孔316L 不锈钢显微组织特征和成形性能的影响'>第三章 TiH₂及SiC 的加入对激光熔化多孔316L 不锈钢显微组织特征和成形性能的影响
• 3.1 实验
• 3.1.1 粉末制备
• 3.1.2 成形工艺
• 3.1.3 试样表征
• 2 混合粉体的选区激光熔化'>3.2 高激光功率条件下316L/2.0 wt.%TiH₂混合粉体的选区激光熔化
• 3.2.1 物相分析
• 3.2.2 显微组织分析
• 3.2.3 机理分析
• 2 混合粉体的选区激光熔化'>3.3 低激光功率条件下316L/TiH₂混合粉体的选区激光熔化
• 2 含量对多孔结构成形的影响'>3.3.1 TiH₂含量对多孔结构成形的影响
• 3.3.2 SiC 的加入对多孔结构成形的影响
• 3.4 本章小结
• 2/Ti 粉末体系选区激光熔化多孔 Ti 的显微组织及性能'>第四章 TiH₂/Ti 粉末体系选区激光熔化多孔 Ti 的显微组织及性能
• 4.1 实验
• 4.1.1 粉末制备
• 4.1.2 激光工艺
• 4.1.3 试样表征
• 4.2 多孔Ti 结构微观特征分析
• 2 造孔剂含量对多孔结构微观特征的影响'>4.2.1 TiH₂造孔剂含量对多孔结构微观特征的影响
• 4.2.2 扫描速率对多孔结构特征的影响
• 4.3 多孔Ti 结构成形机理分析
• 4.3.1 成形性能
• 4.3.2 孔隙形成机制
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表或已完成的学术论文