【摘 要】
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316L不锈钢材料因其具有优异的抗晶间腐蚀性能以及抗高温氧化性被广泛地应用于军工、化工、生物医学以及造船运输等领域,但其存在的低硬度、低强度等问题限制其进一步的发展。为改善316L不锈钢的力学性能,本文以MnSi2粉末为增强颗粒,利用SLM技术成形MnSi2/316L不锈钢复合材料,以改善复合材料成形质量、机械性能和耐腐蚀性能为目标,对SLM成形工艺展开研究,采用GA遗传算法对SLM成形工艺参数进
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316L不锈钢材料因其具有优异的抗晶间腐蚀性能以及抗高温氧化性被广泛地应用于军工、化工、生物医学以及造船运输等领域,但其存在的低硬度、低强度等问题限制其进一步的发展。为改善316L不锈钢的力学性能,本文以MnSi2粉末为增强颗粒,利用SLM技术成形MnSi2/316L不锈钢复合材料,以改善复合材料成形质量、机械性能和耐腐蚀性能为目标,对SLM成形工艺展开研究,采用GA遗传算法对SLM成形工艺参数进行优选。主要的研究内容及结论如下:(1)SLM成形MnSi2/316L不锈钢复合材料温度场研究。本文采用Jmatpro软件获得复合材料随温度变化的热物性参数,建立SLM仿真物理模型,依托ANSYS有限元分析平台,模拟分析工艺参数对MnSi2/316L不锈钢复合材料热循环曲线、熔池温度、熔池尺寸的影响规律。结果显示:通过加入MnSi2增强颗粒可以减少熔池中热对流及热传导过程中的热量散失从而提高熔池峰值温度,通过改善热传导及热对流效应从而增强熔池的动力学特征。激光功率逐渐增加,熔池存在时间相应增加,熔池尺寸也逐渐变大;但增加扫描速度反而造成熔池存在时间的缩短,熔池尺寸也逐步变小;扫描间距的改变对熔池温度及尺寸影响幅度相对较小,通过扫描间距调节熔池结构尺寸效果较为轻微。(2)MnSi2含量对316L不锈钢复合材料的性能影响研究。通过球磨工艺得到分散均匀的复合材料颗粒,继而探究不同MnSi2添加量对316L不锈钢复合材料的表面质量、显微硬度、拉伸性能及耐腐蚀性能的影响规律。研究结果表明:MnSi2颗粒的加入导致置换固溶体生成,能起到细化晶粒的作用。MnSi2最佳配比为2 wt.%,在此配比下所成形的MnSi2/316L不锈钢复合材料的熔道连续均匀,表面缺陷较少,组织内部等轴晶细小且分布均匀,显微硬度值为326.3 HV0.2,抗拉强度为480.5 MPa,断裂延伸率为45.27%,呈典型韧性断裂模式,SMC-2复合试样的腐蚀电流密度为1.945μA·cm-2,极化电阻为25110.6Ω·cm~2。(3)工艺参数影响MnSi2/316L不锈钢复合材料性能规律研究。基于上章优选的MnSi2添加量,面向致密度、力学性能及耐腐蚀性能,设计单因素实验探究成形工艺参数对MnSi2/316L不锈钢复合材料性能的影响规律。在耐腐蚀性能方面,结合试样表面致密度情况进一步探究了腐蚀发生形式。结果表明:初步确定工艺窗口为:激光功率为160-220 W,扫描速度为600-1000 mm/s,扫描间距为60-100μm。复合试样的腐蚀形式为氯离子诱导氯化物生成的点蚀,且点蚀产生位置主要集中在孔隙边界处。(4)SLM成形MnSi2/316L复合材料工艺参数优化。设计响应面实验方案,以显微硬度、抗拉强度及腐蚀电流密度分别作为力学性能及耐腐蚀性能的响应指标,综合评价SLM成形复合材料的成形质量,建立二阶成形质量预测模型。基于GA算法,建立多目标优化模型,获得MnSi2/316L复合材料工艺参数Pareto最优解集,得到当激光功率在180-195 W之间,扫描速度在800-850 mm/s之间,扫描间距在70-80μm之间时,所成形的性能较优。最后,验算响应值的实际值与理论值之间误差,证明模型的可靠性。
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