高铌钛铝合金球形粉末的制造及其选区激光熔化成型研究

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高铌钛铝合金具有的低密度、高强度、高熔点、以及优异的高温抗氧化和抗蠕变性能等优点,在航空航天、工业汽车等多领域展现出重要的应用价值与发展潜力。然而,高铌钛铝合金室温塑性差,增大了传统加工的难度,成为制约其工程应用的主要障碍。随着增材制造技术的快速发展,选区激光熔化成型技术为高铌钛铝合金的成型提供了新的解决方案,由于研究力度的加大,该技术对金属球形粉末的需求日益增多。但是,受到制粉技术的垄断以及高昂制粉装备价格的影响,SLM所用粉末的价格居高不下,这在一定程度上阻碍了SLM成型高铌钛铝合金件的研究。本文的目的是结合数值模拟与雾化实验,研究喷嘴结构对气体流场的影响以及感应线圈对熔化效率的变化,从而优化喷嘴结构和感应熔炼系统,提高气雾化制粉收得率。同时,对自制的高铌钛铝合金球形粉末进行表征,分析粉末粒径与结构的关系。在此基础上,针对自制的高铌钛铝合金粉末的SLM可成型性问题,探索了不同工艺对其成型性能的影响。论文主要结果如下:(1)雾化喷嘴结构优化:通过数值模拟与实验相结合,研究了喷嘴结构对气体流场的影响,从而改进了原有粉末收得率低的喷嘴,使得雾化制粉收得率大大提高。发现雾化气压为4 MPa时,喷嘴结构s=0.5、α=36o的雾化性能最佳,细粉(-250/~M,d<60μm)收得率为37.4%。(2)感应熔炼系统优化:当线圈与原材料棒之间的距离L=15 mm,线圈匝间距h=14mm时,感应系统熔化原材料棒的速度越快(2 min/589 g),且滴落熔体的温度高达1695℃,雾化实验细粉(-300/~M,d<50μm)收得率高达32.1%。(3)发现了高铌TiAl粉末中的相变:采用XRD对不同粒径的粉末结构进行研究,结果表明存在由尺寸驱动的γ→α2结构转变。对不同粒径粉末的相变进行热动力学性能检测,通过DSC曲线发现,小于25μm的粉末在温度为600℃时,发生了α2→γ相的转变,温度进一步增加到1150℃时,γ相吸热转化为γ+α/α2相。(4)优化了选区激光熔化成型工艺参数:研究了激光功率P、扫描间隙h、扫描速度v对成型块体硬度与致密度的影响规律。探索并得到激光工艺参数组合为P=170 W、h=85μm、v=1100 mm/s时,成型件的致密度最好,可达99.01%。此外,研究了能量密度E对成型件压缩性能的影响,当能量密度E=61.38 J/mm~3时,成型件的抗压强度为1463.2 MPa,弹性模量为45.73 GPa。采用优化后的打印参数进行异形件的SLM成型,成型件打印完整,表面无开裂与起翘。
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