定向能量沉积316L重扫描作用下微观组织与机械性能研究

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定向能量沉积(Directed Energy Deposition,DED)技术正在推动制造业产业革命,在大型、超大型复杂结构零部件的直接成形以及零件修复方面存在突出优势。但DED技术制备的零件含有气孔、裂纹等缺陷,这些缺陷极大制约了DED技术的发展,而通过后续的热处理来改善缺陷又费时费力。对此,激光重扫描(Laser Rescanning,LR)辅助工艺成为解决此类问题的有效途径。本文重点研究了不同重扫描功率对LR辅助DED制造316L不锈钢成形件的微观组织与机械性能的影响,分别开展了单道沉积实验与多层多道沉积实验,主要的研究内容以及结论如下:(1)对LR工艺的缺陷修复能力进行了探究,对于单道沉积过程,结合数值模拟与实验对缺陷修复机理进行了探索。研究发现,沉积的内部缺陷主要为孔隙缺陷,气泡外溢速度与熔池凝固速度的相对关系决定了孔隙缺陷的生成,气泡外溢速度由熔池液态金属性质及气泡气体的本身性质决定,调节工艺修复孔隙是通过改变熔池凝固条件来实现的;在单道沉积实验中,1200W的LR工艺作用下,孔隙缺陷修复率达到了85.7%;在多层多道实验中,用致密度表征试样内部缺陷的丰富程度,在1000W的LR辅助工艺下缺陷最少,致密度最高达99.29%,相比原始沉积件,致密度增加了42.3%。(2)探究了DED成形316L不锈钢的微观组织演变,以及LR辅助工艺对微观组织的影响。研究发现,DED成形单道中存在着平面晶-胞状晶-树枝晶-等轴晶的典型微观组织演变;在多层多道沉积中,试样的微观组织主要是胞状亚晶与枝状亚晶构成的亚晶网络结构;LR工艺对微观组织存在两方面影响机制:一是外延生长机制,二是晶粒细化机制。(3)探究了LR工艺对DED成形件的力学性能的影响。结果表明,LR功率为1000W时,效果最好,DED成形件性能提升最为显著;LR对塑性性能影响显著,1000W的LR处理时,伸长率为48.2%,对比原始沉积件增加46.3%;其他性能方面,抗拉强度略有提升,仅为5%左右,硬度的增强在11.7%以上。
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