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选区激光熔化铁镍基功能材料的制备与性能

吴楷  
【摘要】:增材制造技术可以实现复杂形状器件的制造和轻量化,已经广泛应用于结构材料和器件的生产。功能材料由于其性能具有组织敏感的特性,限制了增材制造技术在功能材料领域的应用。为解决复杂腔构构件成型及其对膨胀特性、导磁性能等结构-功能一体化的设计和使用要求,本课题选择具有代表性的1J85软磁合金和4J32低膨胀合金,采用气雾化法制备了满足选区激光熔化(SLM)特性要求的FeNi合金粉末,使用SLM打印了两种磁性功能材料,研究了工艺参数对密度、拉伸强度、磁性能、膨胀系数等性能的影响规律,为增材制造制备具有复杂结构的结构功能一体化器件奠定技术基础。主要结论如下:采用气雾化工艺制备的粉末呈球形。两种合金粉末主相均为γ(Fe-Ni)。粉末氧含量120ppm~330ppm之间,D50在30~38μm。4J32粉末松装密度4.41 g/cm~3,振实密度5.67 g/cm~3;1J85粉末松装密度4.28 g/cm~3,振实密度5.83g/cm~3。粉末的各项指标均满足SLM要求。SLM成型4J32试样的水平截面在低倍金相下呈现与扫描策略对应的垂直交错的熔痕迹,垂直截面为微小熔池堆叠的鱼鳞状熔道截面痕迹,显微组织以枝状晶粒为主,沿成型方向均匀分布,晶粒尺寸小于2μm。4J32合金的最优SLM成型工艺参数为激光功率200W,扫描速率600mm/s,扫描间距105μm。SLM成型试样力学性能优异,抗拉强度达483MPa,屈服强度达328MPa,均高于锻热处理态标准;延伸率为30%。SLM成型4J32试样呈现异常低的平均线膨胀系数,经固溶+时效处理后,接近标准值。SLM成型1J85试样致密度随着输入激光体能量密度的增加,先上升,然后趋于定值,随后开始下降。当体能量密度分布在35~38 J/mm~3时,成型试样致密度高达99.66%。SLM成型合金主要由细小的枝状晶粒组成,水平截面分布着沿各个方向生长的枝状晶粒,垂直截面大部分枝状结构沿着成型方向生长。SLM成型1J85试样经退火后晶粒长大,形成粗大的奥氏体孪晶组织,水平截面晶粒尺寸大于垂直截面晶粒,垂直截面内大小晶粒交替分布。SLM成型1J85试样力学性能呈现各向异性:水平方向抗拉强度达715MPa,屈服强度达582MPa;垂直方向抗拉强度达578MPa,屈服强度达463MPa;高于锻热处理态标准,但塑性较差。经热处理后试样的强度与塑性均高于锻件标准。SLM成型试样经热处理后初始磁导率可达到31.36 mH/m,最大磁导率达到65.66 mH/m,矫顽力为3.93A/m。


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