TiVNbTa难熔高熵合金球形粉末的制备及其选区激光熔化成形

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难熔高熵合金具备的四大核心效应使得该类合金具有简单的相结构、高强度、高硬度、耐磨性、耐腐蚀和良好的结构稳定性。选区激光熔化技术是块体难熔高熵合金的主要增材制造方法之一,所使用的原料为球形粉末。但采用传统制粉技术难以制备难熔高熵合金球形粉末,这极大限制了难熔高熵合金增材制造技术的发展。本论文着重研究了Ti VNb Ta难熔高熵合金增材制造用球形粉末的制备方法及其选区激光熔化成形技术应用。论文探索了粉体处理工艺(氢化、球磨和球化处理)对难熔高熵合金粉末特性的影响,分析了Ti VNb Ta难熔高熵合金吸放氢性能,对选区激光熔化技术制备Ti VNb Ta难熔高熵合金块体的工艺参数进行了优化,研究了各工艺参数对其显微组织和力学性能的影响,为难熔高熵合金的增材制造技术和相关材料的研究提供参考。TiVNbTa难熔高熵合金经氢化、破碎和球化处理后,可获得球化率大于95%、球形度高、分散良好和无缺陷的单相BCC结构球形粉末,粒度分布集中在32-64μm,松装密度、振实密度和流动性分别为5.68 g/cm~3、6.14 g/cm~3和14.86 s/50g。Ti VNb Ta难熔高熵合金吸氢后合金生成Ti H1.971、Nb0.696V0.304H和Nb0.498V0.502H2新相,其吸氢反应属于可逆反应,合金在423 K、573 K和723 K三个温度下具有高效的吸(放)氢速率。平衡吸氢量分别为0.96 wt.%、0.90 wt.%和0.77 wt.%,平衡放氢量为0.08 wt.%、0.15 wt.%和0.32 wt.%;吸(放)氢动力学模型分别符合JMA方程和二级速率方程;吸(放)氢机制分别受控于氢化物的形核长大过程和氢化物的浓度含量变化;吸(放)氢表观活化能分别为-21.87 J/mol和8.67 J/mol。对球形高熵合金粉末进行选区激光熔化时,激光功率和扫描速度会大幅度改变熔池和熔道形态,在单层单道成形时,熔道虽难以出现“鱼鳞状”形态,但基本处于笔直的隆起弧状,随着激光能量密度的增加,熔道宽度和高度增加。在单层多道成形熔覆层时,良好成形工艺参数区间较小,随着扫描间距的增加,表面粗糙度先降低后增加,当扫描间距为0.12 mm时,表面粗糙度最低,为2.85μm。体积激光能量密度对多层多道制备高熵合金块体影响较大,当体积激光能量密度为73 J/mm~3时,沉积态高熵合金拥有最低孔隙率,XOY面和YOZ面的孔隙率分别为0.26%和1.42%。选区激光熔化制备的Ti VNb Ta难熔高熵合金块体晶粒细小,并随着激光功率的增加而增加,合金始终保持单相BCC结构。沉积态合金块体显微维氏硬度大于铸态合金,并随激光功率增加而增加,随扫描速度增加先增加后降低,在250 W激光功率和400mm/s扫描速度时具有最高值,分别为454±6 Hv和425±7 Hv。高熵合金的压缩性能则基本随着激光功率和扫描速度增加而不断降低,室温压缩试样主要呈脆性解理断裂。当激光功率为175 W,扫描速度为400 mm/s时合金具有最佳的力学性能,压缩屈服强度σ0.2=1001 MPa,抗压强度σbc=1741 MPa,塑性变形量εp=10.0%。
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