收藏本站
《华中科技大学》 2011年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

钨及钨合金的选择性激光熔化过程中微观组织演化研究

张丹青  
【摘要】:难熔金属及其合金具有熔点高、高温强度高、低蒸汽压、低的膨胀系数以及在许多介质中的耐蚀性好等一系列优良特性,广泛应用于武器装备、医疗器械和通讯发射装备等领域。但是难熔金属的成形性能差,限制了其应用范围的扩大。目前,难熔金属大多采用粉末冶金成形,这种成形工艺需要昂贵的工装模具、工艺过程复杂,难以成形三维结构复杂的零件。因此,开发难熔金属的先进成形技术已成为研究热点之一。选择性激光熔化成形作为一种新型的成形技术具有制造过程柔性程度高、所制造的零件具有优异的力学性能和化学性能、可实现组分连续变化的梯度功能材料的制造、产品的尺寸大小和复杂程度对加工难度影响很小等特点,因此,选择性激光熔化成形技术在难熔金属成形中具有广阔的应用前景。 本文以难熔金属钨及钨合金为研究对象,采用选择性激光熔化成形技术制备钨及钨合金试样,系统地研究了工艺参数(激光功率、扫描层厚、扫描速度、扫描间隔等)对钨及钨合金成形性和微观组织的影响;探讨了激光熔凝过程中的组织转变和生长机理。通过强化烧结改善钨及钨合金的成形性能,研究了添加稀土氧化物对钨合金微观组织的影响及其作用机制。此外,探索了难熔金属Mo和Nb的选择性激光熔化成形工艺。取得了如下研究结果: 采用选择性激光熔化成形了纯W的试样,成形过程在高能量密度的激光束作用下发生了部分颗粒的熔化,其成形机制为液相烧结机制。激光熔化-凝固成形纯W试样表面烧结道出现了择优取向生长的针状组织,随着激光功率的增加针状组织尺寸逐渐减小。烧结试样的显微硬度值随扫描层数的增加呈下降趋势,当扫描层厚由第一层增加至第六层时,试样的显微硬度由826HV降低为353HV。 研究了添加Ni对W基金属粉末激光熔化成形的影响规律。结果表明,选择性激光熔化W-Ni合金的成形机制为激光能量输入引起Ni颗粒及部分W颗粒熔化-凝固粘结未熔W颗粒的液相烧结过程。在相同激光作用条件下,Ni含量为10wt.%、20wt.%、40wt.%的烧结试样的微观组织分别为条状、枝晶状和蜂窝状,Ni含量的增加能有效降低熔体粘度,提高烧结体组织的均匀性。 在分析W-Ni合金烧结试样显微硬度变化的基础上,考虑由于松散粉末收缩引起的实际粉层变化,建立了粉层收缩模型。基于该模型的分析发现,成形过程中实际粉层厚度随加工层数的变化在开始5层内的变化剧烈;随着加工层数的增加,粉末的实际厚度趋于定值,这个值可以由切片厚度和相对松装密度的比值来确定。 基于实验数据建立W-Ni-Cu合金选择性激光熔化成形的工艺窗口。基于该工艺窗口选择工艺参数,成形的W-Ni-Cu合金零件表面平整、没有明显的裂纹与孔洞缺陷。在较高的激光能量输入时,W-Ni-Cu合金的成形机制由传统的液相烧结转变为液相烧结与W颗粒熔化/凝固的综合作用机制。 研究了稀土氧化物对钨基合金的选择性激光熔化成形的影响。结果表明,在W-Ni-Cu合金中添加1.0wt.%La2O3,具有改善固液润湿性、提高形核率、细化晶粒和净化晶界的作用,并能抑制微裂纹的形成,显著改善W-Ni-Cu合金粉体激光熔化成形性能、提高烧结体的显微硬度。 采用有限元法建立了选择性激光熔化成形过程温度场的三维模型。以90W-7Ni-3Fe合金体系为例,结合实验研究获得了不同工艺参数下温度场的变化及烧结体的组织演变规律与成形机制。在激光功率一定时,当扫描速度较高(110mm/s)时,W-Ni-Fe合金的组织为液相凝固粘结未熔化颗粒,其成形机制为液相烧结。随着扫描速度的减小,组织中的枝品逐渐增加,说明熔池温度升高,钨颗粒发生了熔化。当扫描速度为20mm/s,扫描间隔为0.05mm时,合金的组织为柱状品,其成形机制为合金粉末熔化-凝固的成形机制。 研究了难熔金属Mo和Nb的选择性激光熔化成形工艺及组织演化过程。研究发现,成形试样中出现了Mo-Ni固溶体相,Mo-Ni固溶相有利于促进烧结的致密化过程,成形试样显微组织中粉末颗粒和粘结相分布较均匀。相对于纯Mo的成形试样,90Mo-Ni成形试样的表面孔隙率明显下降。选择性激光熔化Nb粉末形成的显微组织为呈方向性、规则排列的层片状组织。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TF124.3

【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 叶方伟;钽及其合金[J];材料导报;1997年02期
2 张勇;何新波;曲选辉;段柏华;;超高温材料的研究进展及应用[J];材料导报;2007年12期
3 谭兆强;李昆;侯海涛;李笃信;;注射成形W-Cu及Mo-Cu研究进展[J];材料导报;2007年S3期
4 雷若姗;汪明朴;郭明星;李周;;形变复合法制备高强高导纳米Cu-Nb合金的研究进展[J];材料导报;2008年02期
5 李小强;辛红伟;胡可;陈维平;李元元;;高密度W-Ni-Fe合金的研究进展[J];材料导报;2009年15期
6 顾冬冬;沈以赴;;选区激光烧结WC-10%Co颗粒增强Cu基复合材料的显微组织[J];稀有金属材料与工程;2006年S2期
7 王伏生,赵慕岳;高密度钨合金及其在军事工业中的应用[J];粉末冶金材料科学与工程;1997年02期
8 葛启录,肖振声,韩欢庆;高性能难熔材料在尖端领域的应用与发展趋势[J];粉末冶金工业;2000年01期
9 马运柱,黄伯云,刘文胜;钨基合金材料的研究现状及其发展趋势[J];粉末冶金工业;2005年05期
10 刘文胜;马运柱;黄伯云;;钨基合金的断裂失效和强韧化研究现状[J];粉末冶金工业;2007年04期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 马红磊,胡更开,李树奎;97钨合金力学性能研究[J];兵器材料科学与工程;2003年06期
2 范景莲,黄伯云,曲选辉,刘涛;粘结剂组成对喂料流变性影响的综合评价[J];兵器材料科学与工程;2004年05期
3 范景莲;汪登龙;刘涛;;细晶钨合金制备工艺的研究[J];兵器材料科学与工程;2006年02期
4 邱志聪;黄海;帅茂兵;王锡胜;;氢化锂在不同环境条件下的力学性能[J];兵器材料科学与工程;2006年06期
5 李瑜煜;张仁元;;N型热电材料ZnO热压烧结工艺研究[J];兵器材料科学与工程;2008年05期
6 马少华;史洪刚;赵红梅;陈子明;贾万明;;注射成形钨合金材料的制备与性能研究[J];兵器材料科学与工程;2008年05期
7 景青波;景振禹;石健;;粉末药型罩金属粒度级配及热处理对聚能射流性能的影响[J];火炸药学报;2008年01期
8 张朝晖,王富耻,李树奎;钨合金的静液挤压变形强化[J];兵工学报;2002年02期
9 周正干;高翌飞;吕炎;何方成;;碳化硅颗粒增强铝基复合材料弹性常数测量[J];北京航空航天大学学报;2009年02期
10 刘卫华;贾成厂;史延涛;;高碳钢凝胶注模成形工艺[J];北京科技大学学报;2006年04期
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 肖国庆,范群成,顾美转,金志浩;TiC-Ti复合材料自蔓延高温合成中的组织转变[J];稀有金属材料与工程;2005年10期
2 陈静;张霜银;薛蕾;杨海欧;林鑫;黄卫东;;激光快速成形Ti-6Al-4V合金力学性能[J];稀有金属材料与工程;2007年03期
3 张绪虎;汪翔;贾中华;胡欣华;吕宏军;何涛;;小推力姿控轨控火箭发动机材料技术研究现状[J];导弹与航天运载技术;2005年06期
4 赵金龙,董国峰,高钦;(Al_2O_3+TiB_2)/Al 复合陶瓷与 Al 连接的研究[J];大连理工大学学报;1997年06期
5 王彦芳,王存山,潘学民,董闯;燃烧合成焊接[J];粉末冶金技术;2004年05期
6 陈秀娟;吴明亮;张全文;马淑芬;王思谦;;Ti_3AlC_2自蔓延高温合成中组织分析[J];粉末冶金技术;2010年02期
7 何代华,傅正义,王为民,张金咏;TiB_2陶瓷与Mo金属的燃烧反应焊接[J];复合材料学报;2003年05期
8 纪文文;宋月鹏;杨筠;;基于物质热力学数据库自蔓延反应体系绝热温度的计算及验证[J];硅酸盐通报;2009年06期
9 闫联生,王涛,邹武,张钢锤,刘永华;国外复合材料推力室技术研究进展[J];固体火箭技术;2003年01期
10 闫联生;李克智;李贺军;;C/SiC陶瓷复合材料推力室的制备与性能表征[J];固体火箭技术;2008年04期
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张云廷;钨合金真空热处理机理探讨[J];兵器材料科学与工程;1990年03期
2 黄继华,周国安,赖和怡,张滨茹;近十年高比重钨合金强韧化研究动态[J];兵器材料科学与工程;1991年10期
3 梁红玉,任安峰,朱宇明;覆膜陶瓷粉末烧结过程热应力场研究[J];兵器材料科学与工程;2001年03期
4 冯庆芬,丁华东,方民宪,朱金华;La,Ce对93WNiFe合金动态拉伸性能的影响[J];兵器材料科学与工程;2003年03期
5 张存信,范爱国,田华;钨丝束穿甲弹的研究进展[J];兵器材料科学与工程;2003年06期
6 史洪刚;齐志望;尚福军;田开文;;钨合金材料锻造变形强化的组织与性能及其再结晶行为[J];兵器材料科学与工程;2006年01期
7 范景莲;汪登龙;刘涛;;细晶钨合金制备工艺的研究[J];兵器材料科学与工程;2006年02期
8 聂常绅,吴琳,刘金红,韩丽华;W-Ni-Fe-Co系重合金中锰的作用机制的研究[J];兵器材料科学与工程;1994年05期
9 史洪刚,齐志望,郭志俊,樊存山,许杰;锻造变形量对钨合金材料性能的影响[J];兵器材料科学与工程;1998年04期
10 周国安,刘勇,邓欣,黄继华;Si、Na掺杂的W-Ni-Fe高比重合金界面结构的影响[J];兵器材料科学与工程;1999年03期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 张廷杰;用激光熔化制成的钛铝化合物复合材料[J];钛工业进展;1995年01期
2 章守华,孙东志,叶田田,苏宝嫆,于志勤;Fe-B及Fe-C-B合金的激光熔化激冷[J];北京科技大学学报;1983年03期
3 孙达,张福生,孟繁中;渗硼层激光熔化急冷处理[J];中国激光;1988年02期
4 李玲玲;激光熔化金刚石[J];激光与光电子学进展;2000年01期
5 李其连;激光表面熔覆高温耐磨涂层的研究[J];航空制造技术;1992年01期
6 张禄廷 ,邵会孟 ,朱荆璞;Fe-Ni-P-B-C表面合金层的激光熔化激冷组织[J];沈阳工业大学学报;1984年01期
7 林一坚,张小岷,张文彪,章靖国,陈兰英;(Fe-10Ge)-O偏晶系的激光快速熔凝[J];金属学报;1988年02期
8 207环激光热处理研究组;激光熔化-凝固处理铸铁活塞环显微裂纹浅析[J];激光杂志;1984年03期
9 许子海;李德;陈云杰;;40Cr钢研钵表面激光熔覆[J];莱钢科技;2007年03期
10 T·BellH·W·Bergmann ,潘肃;钛的表面氮化工艺[J];宇航材料工艺;1986年03期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 王黎;魏青松;贺文婷;谢思意;史玉升;;Inconel 625合金选择性激光熔化成形工艺研究[A];第14届全国特种加工学术会议论文集[C];2011年
2 陈济轮;;先进的激光快速制造技术及工程应用[A];第14届全国特种加工学术会议论文集[C];2011年
3 李建国;许明恒;;基于选择性激光烧结成型的无模具快速精铸工艺[A];中国工程物理研究院科技年报(2003)[C];2003年
4 蔡丽英;霍玉晶;毛思宁;刘梦林;张金选;;Bi基高温超导纤维的结构[A];第六次全国电子显微学会议论文摘要集[C];1990年
5 胥橙庭;沈以赴;顾冬冬;潘琰峰;;多组分Ni基金属粉末选择性激光烧结试验研究[A];2004年材料科学与工程新进展[C];2004年
6 顾冬冬;沈以赴;肖军;;选区激光烧结专用铜基金属粉末制备及烧结行为研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
7 李俊英;王玉华;;选择性激光小梁成形术治疗开角型青光眼护理56例[A];淄博市第十一届自然科学优秀学术成果论文集[C];2008年
8 郑敏;;激光治疗皮肤血管病变的最新进展及其临床应用[A];浙江省中西医结合学会首届医学美容专业委员会学术年会论文汇编[C];2005年
9 张三川;姚建铨;;激光熔覆颗粒增强涂层成形、相结构与摩擦学性能研究[A];2006全国摩擦学学术会议论文集(一)[C];2006年
10 楚振斌;楚鹰;钟小欢;;特种增材加工—21世纪的制造方法[A];第八届全国电加工学术年会论文集[C];1997年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张丹青;钨及钨合金的选择性激光熔化过程中微观组织演化研究[D];华中科技大学;2011年
2 李瑞迪;金属粉末选择性激光熔化成形的关键基础问题研究[D];华中科技大学;2010年
3 王黎;选择性激光熔化成形金属零件性能研究[D];华中科技大学;2013年
4 王迪;选区激光熔化成型不锈钢零件特性与工艺研究[D];华南理工大学;2011年
5 王建宏;Ti6Al4V选区激光熔化及其与Ti-C-Al体系燃烧合成焊接基础研究[D];中北大学;2012年
6 张建华;选择性激光烧结技术应用研究[D];南京航空航天大学;2001年
7 苏旭彬;基于选区激光熔化的功能件数字化设计与直接制造研究[D];华南理工大学;2011年
8 顾永玉;金属板料激光冲击成形的理论研究[D];江苏大学;2007年
9 龚玮;皮肤选择性光热解效应与光疗及热损伤的评估方法和技术[D];福建师范大学;2010年
10 杜艳迎;粉末激光快速成形与等静压复合过程工艺与数值模拟研究[D];华中科技大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 彭昌吻;基于选择性激光熔化技术的不锈钢零件宏观质量研究[D];华中科技大学;2009年
2 关凯;不锈钢零件的选择性激光熔化成型规律及微观形貌研究[D];华中科技大学;2009年
3 姜炜;不锈钢选择性激光熔化成形质量影响因素研究[D];华中科技大学;2009年
4 姜毅;选区激光熔化成形过程的应力场模拟及实验研究[D];华中科技大学;2012年
5 何兴容;选区激光熔化直接成型个性化外科手术模板研究[D];华南理工大学;2010年
6 张强;金属选区激光熔化系统设计及成型工艺研究[D];北京工业大学;2012年
7 肖飞;选区激光熔化成形304不锈钢的力学性能研究[D];华中科技大学;2011年
8 查奉良;选区激光熔化成形控制系统软件关键技术研究[D];华中科技大学;2011年
9 潘爱琼;选区激光熔化成形SRR99镍基单晶的基础研究[D];华中科技大学;2013年
10 周子裕;基于温度场的选择性激光烧结成型变强度研究[D];浙江工业大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026