选区激光熔化成形TiC/316L不锈钢复合材料组织性能的研究

来源 :中北大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:xiaoyuzxcv123
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316L不锈钢因其具有良好的耐腐蚀、耐高温、高韧性以及抗蠕变性能等特点被广泛应用于化工、船舶、汽车等领域。然而,随着我国在航空航天、军工、汽车、国防等领域的综合实力的提升,对316L不锈钢的强度、韧性、耐磨性和耐蚀性均提出了越来越高的要求,并且传统成形方法难以满足复杂构件的制备需求。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术是目前增材制造技术领域的研究热点,可实现复杂结构金属构件的高性能精确成形,适合多品种、小批量的复杂构件制造。本论文以316L不锈钢作为研究对象,针对316L不锈钢SLM成形件难以满足国防科技和核电等相关领域的高强度和高耐磨性能的要求,引入陶瓷颗粒增强相,制备了TiC/316L不锈钢复合材料,系统研究了TiC陶瓷颗粒增强相对TiC/316L不锈钢复合材料微观组织和各项性能的影响,以及在不同条件下滑动摩擦磨损实验后,成形试样摩擦系数、磨损量、磨损形貌的差异,具体分析了在各个条件下磨损机理的演变。主要研究内容和结果如下:(1)研究了316L不锈钢SLM成形过程中温度场的分布以及熔池尺寸的变化。结果表明,当点间距一定时,激光功率由160 W增加到240 W时,熔池的宽度由102.9μm增加到126.3μm,增加了18.53%;熔池的深度由36.89μm增加到53.37μm,增加了30.88%。当激光功率一定时,点间距由40μm增加到120μm时,熔池的宽度由126.9μm减小为101.2μm,减小了20.25%;熔池的深度由52.86μm减小为38.06μm,减小了27.98%。成形过程中随着激光功率的增大和点间距的减小,激光能量密度增大,使得粉末对激光的吸收不断增加,进而形成较大的熔池,合适大小的熔池尺寸是形成良好搭接的前提。综合考虑激光功率和点间距对SLM成形过程温度场的影响,模拟结果表明,当激光功率范围控制在180 W-200 W,点间距为60μm-80μm时,熔池的宽度和深度较为合适,能够保证相邻层之间结合良好,利于SLM成形过程的顺利进行。(2)研究了工艺参数对SLM成形316L不锈钢成形件内部组织、力学性能以及耐蚀性能的影响。结果表明,当激光功率为200 W时,成形件表面较为光洁,没有出现裂纹和孔洞等缺陷,成形性能最佳;与传统成形316L不锈钢相比,SLM成形316L不锈钢平均显微硬度显著提高,达到262 HV0.1;SLM成形316L不锈钢腐蚀速度较慢,腐蚀电流密度也减小。SLM成形316L不锈钢试样的组织结构更为致密,组分偏析较少,Cr、Ni元素的分布均匀,使得耐腐蚀性能提高。(3)研究了球磨参数对TiC/316L不锈钢复合粉末形貌的影响,以及TiC颗粒对SLM成形TiC/316L不锈钢复合材料的组织性能的影响。结果表明,当球料比为8:1,球磨时间为8h时,得到的复合粉末TiC颗粒分布均匀,并且具有较好的球形度。分别添加2 wt%、4 wt%TiC颗粒,TiC/316L不锈钢复合粉末通过SLM成形后,添加2 wt%TiC颗粒的复合粉末获得了最好的成形性;此外,随着TiC含量增加,TiC/316L不锈钢复合材料显微硬度先增大后减小;SLM成形TiC/316L不锈钢复合材料腐蚀速率先减小后增加。(4)研究了不同载荷以及不同滑动速度对SLM成形TiC/316L不锈钢复合材料的摩擦学行为的影响。结果表明,随着滑动速度的增加,复合材料的磨损率降低,当滑动速度为60 mm/min时,TiC/316L不锈钢复合材料的磨损率为40 mg/2×103m,主要磨损机理为分层磨损和轻微氧化磨损;当滑动速度为100 mm/min时,试样磨损率降为35mg/2×103m,磨损机制转变为氧化磨损占主导。随着载荷的增加,表面粗糙度由Ra=2.03μm增加到Ra=2.41μm,复合材料的磨损率增加,摩擦系数波动较大,稳定性降低;在不同的载荷下,SLM成形的复合材料试样的主要磨损机制为磨粒磨损和氧化磨损。TiC陶瓷颗粒增强相可有效改善TiC/316L不锈钢复合材料的摩擦磨损性能。
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