激光增材制造镍基高温合金的工艺、组织以及性能研究

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激光增材制造技术是一种新型的复杂零件制备方法,由于其独特的优点,可制备高性能,结构复杂的零部件,近年来成为了制造领域的研究热点。故而,本文以镍基合金粉末以及GH3039镍基高温合金丝材为研究对象,进行了同轴送粉增材制造以及激光熔丝增材制造技术工艺研究。通过金相显微镜(OM)、X-射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、纳米压痕-硬度测试仪等测试手段,分别对同轴送粉与激光熔丝增材制造技术制备的单道单层试样进行组织、性能表征,而后分析了激光工艺参数对宏观形貌、微观组织的影响规律,并建立起了工艺参数与宏观形貌尺寸参数的数学模型,此外,还对沉积层横截面不同部位的显微硬度分布进行了系统的分析。具体研究内容如下:(1)基于同轴送粉技术,研究了工艺参数与宏观尺寸、微观组织以及显微硬度,得到了宏观尺寸,微观组织,显微硬度与工艺参数之间的关系。具体结论如下:通过宏观尺寸测量,得到了激光功率,扫描速度,送粉速度对沉积层宏观形貌尺寸的影响规律,并且揭示了其影响机理。通过微观组织表征测试,得到了工艺参数对各不同微观组织形貌、尺寸的影响规律,并结合凝固原理理论解释了其影响机制。而通过物相分析结果发现,同轴送粉增材制造所制备的材料组织主要由γNi,Ni3Fe组成。最后,通过显微硬度测试发现,沉积层横截面显微硬度从顶部至底部均是逐渐上升的规律,与组织的变化相对应。(2)基于激光熔丝技术,研究了工艺参数与宏观尺寸、微观组织以及显微硬度,得到了宏观尺寸,微观组织,显微硬度与工艺参数之间的关系。具体结论如下:通过宏观尺寸测量分析,得到了激光功率,扫描速度以及送丝速度对宏观形貌的影响规律,并利用线性回归分析得到了宏观尺寸参数与组合工艺参数之间的数学模型;而通过微观组织测试分析,发现了微观组织形貌、尺寸随随工艺参数的变化规律,并通过凝固理论知识揭示了其影响机理;通过物相分析发现,激光熔丝工艺所得合金,组织主要由(Fe,Ni)固溶体以及Ni3(Al,Ti)相组成。而沉积层横截面显微硬度从顶部至底部同样是逐渐上升的规律。(3)通过对两种技术进行比较发现,同轴送粉成形难度较低,而激光熔丝由于其送丝装置局限性,在一定的送丝速度范围内才可成形;此外,对于同轴送粉以及激光熔丝增材制造合金,微观组织形态的分布规律相似;而在缺陷上,却有不同的表现,同轴送粉制备出来的试样有以下三种缺陷:孔洞、夹渣、裂纹,而对于激光熔丝来说,主要有孔洞,裂纹不常见,而夹渣基本是没有的。总之,本文对同轴送粉与激光熔丝增材制造技术进行了系统的工艺分析,得到了工艺参数对沉积层宏观形貌,微观组织,显微硬度等的影响规律,对激光增材制造镍基高温合金工艺研究奠定了一定的基础,具有重要的指导意义。
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