选区激光熔化成形Ti基纳米复合材料的工艺、组织及性能

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选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)作为一种新型的快速成形(Rapid Prototyping,RP)技术,能利用高能激光束有选择地熔化凝固松散粉末薄层,逐层快速制造出具有复杂形状的三维零件,而不需要后续处理。本文以Ti、Ti-TiC、Ti-SiC粉末体系为原始材料,利用SLM工艺成功制备了纯Ti、TiC/Ti、TiC/Ti5Si3块体材料。研究了激光工艺参数对成形块体材料物相、成分、表面形貌及显微组织的影响,分析了不同激光参数下成形试样致密度、硬度、磨损性能及电化学性能,并探讨了激光成形材料磨损及腐蚀机理。论文获得的主要结论如下:采用SLM工艺成形纯Ti粉末制备块体试样时,在激光能量输入过高或过低时,分别导致微裂纹及球化效应冶金缺陷,降低成形材料致密度。随激光扫描速率υ增大(≥200mm/s),成形件在冷却过程中发生马氏体相变,且马氏体α组织逐渐细化。在优化激光工艺下获取的高致密度及细化的α相有效地提高了成形纯Ti试样的力学性能。利用SLM工艺成形的TiC/Ti纳米复合块体材料中,TiC增强相具有独特的层片状纳米结构,明显不同于初始颗粒形貌。随激光扫描速率υ逐渐增大,TiC增强相组织逐渐细化。纳米TiC增强相的形成,有效提高了基体材料的显微硬度和耐磨性。而若υ过大(≥400mm/s),激光成形致密度降低,成形材料的耐腐蚀性能下降。在优化的激光工艺参数下,TiC含量对激光成形材料的组织及性能亦有重要影响。随TiC含量增加,激光成形组织中TiC增强相晶粒粗化,材料致密度、磨损性能及耐腐蚀性能下降。在利用SLM工艺加工SiC-Ti粉末体系制备原位TiC/Ti5Si3复合材料试样时,发现激光能量输入不足或过高时,分别引起微小孔隙和裂纹的形成,均降低成形材料的致密度。原位TiC增强相呈现典型的枝晶形貌,且随扫描速率υ合理降低,枝晶组织逐渐细化。然而当υ过低时(100mm/s),激光熔池存在时间较长,使得TiC枝晶充分生长,形成相对粗大的枝晶,将降低成形材料致密度、磨损性能及耐腐蚀性能。
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