激光熔化沉积成型V-5Cr-5Ti合金的制备、微结构及性能研究

【摘要】：钒合金由于具有独特的性能,如良好的高温强度、低活化特性、耐高强度辐照、耐液态金属腐蚀等,因而成为和聚变堆领域最有应用前景的结构材料。其中关于V-(4-5)Cr-(4-5)Ti合金的制备工艺、微观组织和性能已经在核聚变领域展开深入的研究。传统制备V-(4-5)Cr-(4-5)Ti合金主要为熔铸法和粉末冶金法,但是这些制备方式成本高且效率低。目前,关于激光熔化沉积(LMD)技术已经广泛引起了研究者的兴趣,这种制备方式能够实现高性能的复杂部件的“近净成型”,该技术结合了激光熔覆和快速成型技术,具有节省时间、单步制造和节约原材料等优点。因此,LMD对制备高价值钒合金提供了新的途径。本文首先采用激光熔化沉积的方式进行V-5Cr-5Ti合金单道熔覆层的成型研究,获得了单道熔覆层关键工艺参数,再根据单道熔覆层的实验结果,择优选择典型工艺参数进行V-5Cr-5Ti合金薄壁样件的成型,系统研究了薄壁件成型的工艺参数、微观组织以及力学性能的形成机制。本文第一章,首先概述了钒合金的研究背景及意义,接着详细介绍了V-5Cr-5Ti合金的微观组织、第二相的研究、力学性能和激光熔化沉积的研究现状和原理等,指出了激光熔化沉积V-5Cr-5Ti合金的可行性。第二章简要介绍了激光熔化沉积V-5Cr-5Ti合金过程中所用到的实验装置、实验药品,以及分析测试的手段和仪器。第三章和第四章详细介绍了激光熔化沉积V-5Cr-5Ti合金单道熔覆层和薄壁件的工艺参数、几何特征形貌、微观组织和力学性能等方面的研究工作。第三章系统研究了工艺参数(激光功率、扫描策略)对LMD成型单道熔覆层和薄壁件的晶粒形态、微观结构和力学性能的影响。研究结果表明:(1)实现了激光熔化沉积高致密的V-5Cr-5Ti合金薄壁件试样。获得了高度致密薄壁件的微观结构,薄壁件的微观组织中同时含有柱状晶和等轴晶两种晶粒形态,通过调整扫描策略、激光功率和堆积作用获得特定比例的柱状晶和等轴晶、微观结构和织构信息,这与凝固原理和热流方向有关。(2)工艺参数对微观组织的影响可以通过体能量密度来衡量,体能量密度的减小将会导致柱状晶向等轴晶的转变(CET)。(3)所有的柱状晶上都有柱状树枝晶的生长,柱状树枝晶的生长都沿着[100]轴方向,[100]轴方向又接近于热流方向,但是柱状晶整体的生长方向与热流方向相反,柱状晶内柱状树枝晶的对于生长空间的竞争作用,使得[100]轴方向与热流方向存在小角度偏差。(4)柱状树枝晶和等轴树枝晶都被一些条状的白色团簇体所包围,后续通过热处理来改变沉积试样中析出相的形态和分布,进一步优化其微观组织和力学性能。第四章主要研究激光熔化沉积V-5Cr-5Ti合金的性能提升方法。首先通过不同的热处理工艺(固溶、时效)来调控析出相的尺寸、形状和密度分布等,进一步优化V-5Cr-5Ti合金的微观组织及力学性能。其次通过在V-5Cr-5Ti预合金粉末中添加不同体积量的纳米Ti C来细化晶粒,从而优化其V-5Cr-5Ti合金的力学性能。基于上述实验安排与设计,本论文针对激光熔化沉积V-5Cr-5Ti合金的工艺参数、微观组织以及性能展开研究,重点讨论了工艺参数对微观组织中晶粒的形态演变规律和析出相Ti-(CNO)的调控,期望论文结论能够对激光熔化沉积增材制造技术制备钒合金中的工艺参数、微观组织以及性能的调控提供实际的参考价值。