激光增材制备块体非晶合金及成形机制研究

来源 :太原科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:alexshinichi
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块体非晶合金因其独特的短程有序、长程无序的原子结构,在物理、化学、电化学等方面都表现出优异的性能,在航空、汽车、电子、医学等领域有着广阔的应用前景。但由于传统制备工艺在尺寸、形状、晶化等方面存在诸多问题,严重限制了其发展和应用。激光增材制造技术是一种自下而上的快速成形技术,能够直接制造具有复杂形状的金属零部件,同时有着极高的升温-冷却速率,为制备块体非晶合金提供了新思路。本文采用选择性激光熔融成型技术(SLM)在不同工艺参数下制备Zr50Ti5Cu27Ni10Al8(文中简称Zr50)非晶合金,研究工艺参数对成形质量的影响,采用有限元方法模拟计算了成形过程中的温度场,分析成形过程中的热效应,并在此基础上进行激光增材制备块体非晶合金试验,结合试验与模拟的结果,开展了激光增材制备块体非晶合金过程中晶化行为和成形机制研究。取得的主要研究成果如下:激光增材制备Zr50非晶合金时,激光功率的增加和扫描速率的降低产生的效果相同,都使单位体积内的材料获得的能量提高,从而提升成形质量,减少缺陷,但过高的能量会拓宽热影响区,促进晶化的产生。沉积层的表面粗糙度会影响粉层质量从而影响成形质量,层间扫描角度增加时,沉积层粉层质量降低,成形质量下降,缺陷明显增多。激光增材制备非晶合金成形过程中熔池和热影响区的升温-冷却速率远远超过非晶合金的临界升温速率和临界冷却速率,因此理论上单点和单道成形时可以避免晶化。但在单层成形和多层成形过程中,存在道间和沉积层间的热影响区叠加,叠加区中的结构弛豫会多次累积,促使晶化的发生。采用SLM技术制备了15 mm×15 mm×15 mm的Zr50非晶合金。所制备的非晶合金中存在细长的山峰状晶化区,晶化相主要为Al5Ni3Zr2,晶化区的分布和形状与模拟结果中热影响区叠加区类似。增材制备块体非晶合金过程中,极高的升温-冷却速率可以避免熔池和部分热影响区发生晶化,而热影响区叠加区由于经历了多次热影响区转变,使结构弛豫和晶胚不断累积,最终导致晶化的发生。
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