增材制造金属材料各向异性的研究现状.pdf
《增材制造金属材料各向异性的研究现状.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《增材制造金属材料各向异性的研究现状.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第37 卷第3期2023 年 6 月Journal of Jiangsu University of Science and Technology(Natural Science Edition)D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.004江苏科技大学学报(自然科学版)Vol.37No.3Jun.2023增材制造金属材料各向异性的研究现状陈靓瑜,秦博渊,褚宇航,郑传波,姚增健(1.江苏科技大学材料科学与工程学院,镇江2 12 10 0)(2.国家模具质量监督检验中心,昆山2 1530 0)摘要:近年来,人们利用增材制造这项高性能、高效率、低成本的高潜力技术
2、制造出了许多传统工艺制造不出的复杂零件.但是,由于增材制造技术和扫描策略的不同,采用增材制造技术制备的样品在微观结构和力学性能上具有三维各向异性.文中通过对不同增材制造技术的特点进行对比,从而讨论其生产出的不同金属样品组织和性能的区别,通过对组织的分析来探索其性能上的差异,进一步了解样品的各向异性,并简要说明他们之间的差异.最后,根据目前的研究成果,提出了未来研究还需解决的问题,关键词:增材制造;微观组织;各向异性;钛合金;镍基合金中图分类号:TG174.4Review of anisotropy of additive manufactured metal materialsCHEN Lia
3、ngyu,QIN Boyuan,CHU Yuhang,ZHENG Chuanbo,YAO Zengjian(1.School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212100,China)Abstract:In recent years,manufacturing,a high-performance,high-efficiency,low-cost,high-potential technol-ogy,is used to produce man
4、y complex parts that cannot be produced by traditional processes.However,due tothe difference in the scanning strategies of additive manufacturing technology,the three-dimensional parts pre-pared by additive manufacturing technology has three-dimensional anisotropy in the microstructure and mechani-
5、cal properties.This study compares the characteristics of dfferent additive manufacturing technologies and dis-cusses the differences in the microstructure of different metallic parts produced by them.Finally,according tothe current research,the problems need to be solved in future research are put
6、forward.Key words:additive manufacturing,microstructure,anisotropy,titanium alloy,nickel-based alloy近年来,随着对零件复杂性的需求日益增加,传统的制造技术已经不能够满足这些需求.在这种情况下,一些优化设计零件的方法随之出现,如增材制造技术(additive manufacturing,A M).增材制造技术是一种可以制备复杂形状零件的生产方法,这项技术通过将连续的金属原料层熔化 2 来制造一个组件.在增材制造过程中,聚焦的激光或电子束的扫描按照一定的策略被设定在一个预期的模式,以此来熔化金属原料
7、材料从而制造所需的产品.材料可以通过在粉末床熔化(powderbed收稿日期:2 0 2 1-0 8-16基金项目:江苏省六大人才高峰资助项目(XCL-117);江苏科技大学深蓝人才项目作者简介:陈靓瑜(198 2 一),男,博士,副教授,研究方向为金属材料腐蚀、等离子喷涂涂层等.E-mail:l y c h e n j u s t.e d u.c n引文格式:陈靓瑜,秦博渊,褚宇航,等.增材制造金属材料各向异性的研究现状 J.江苏科技大学学报(自然科学版),2 0 2 3,37(3):18-2 3.D0I:10.20061/j.issn.1673-4807.2023.03.004.文献标志码
8、:A(2.National Dies and Molds Quality Supervision Test Center,Kunshan 215300,China)文章编号:16 7 3-48 0 7(2 0 2 3)0 3-0 18-0 6melting,PBF)【3 过程中扩散和选择性熔化单个粉末层,或通过定向能沉积(directed energy deposi-tion,D ED)过程中的同轴喷嘴连续定向到熔体池来输送到工件 4.增材制造技术主要包括选择性激光熔化(selectivelasermelting,SLM)、激光立体成形(laser solid forming,LSF)、电子束
9、熔化(elec-tron beammelting,EBM)5】、直接金属激光烧结技术(direct metal laser-sintering,D M LS)等.增材制造作为一种高性能、高效率、低成本的高潜力技术,已经引起了制造和科研行业的强烈关注,第3期增材制造过程中不同的扫描策略通常会导致金属工件产生组织和力学性能上的差异 6 .通过不同的激光扫描模式可以制造出具有完全相同形状和尺寸的部件.然而,由于激光束的横向路径会影响凝固模式,因此具有完全相同几何形状的部件可能有着不同的凝固模式.AM工艺参数显著影响着固液界面的局部温度梯度和凝固生长速率.高功率密度、低激光功率和高扫描速度有利于柱状晶
10、粒向表面外延生长.单晶衬底的晶体取向也影响了柱状树枝晶的取向 7 .相比之下,多晶基底包含许多随机取向的晶粒.对于这些基板上的晶粒,它们的生长方向平行于或几乎平行于立方材料的局部热流方向.由于某些典型的扫描策略,增材制造制备的金属材料在样品的不同平面上表现出不同的显微组织特征,从而产生力学性能的各向异性.同样,许多研究者认为增材制造制备的材料的电化学耐蚀性与样品平面(即构建面和构建方向面)不同可能是由于它们的微观结构不同造成的.因此,文中将通过对不同增材制造技术所制备出的金属样品进行各向异性的研究,深入了解其制备样品的组织性能,1SLM制造金属材料的各向异性选择性激光融化是当下流行的一种新兴增
11、材制造技术,并且这项技术易于操作.首先,在工作平台上铺一层薄薄的金属粉末,然后通过激光束选择性地熔化粉末 8 .与传统制造技术相比,SLM具有广泛的优势,例如无需昂贵的模具即可进行生产,并且材料利用率高,具有高度的灵活性.更重要的是,由于累加和逐层生产,SLM工艺能够产生传统处理方法所不能生产的复杂几何零件 9.如图1L10),SLM系统一般包括控制计算机系统、加工激光器、自动给粉容器、主要辅助部件(如惰性气体系统保护、滚筒/刮刀、溢流容器等).XY扫描系统主容器3重涂器激光束刮刀粉床溢出粉末Fig.1Schematic diagram of the selectivelaser meltin
12、g process陈靓瑜,等:增材制造金属材料各向异性的研究现状X-平面图2 SSLM处理样品的X,Y和Z平面的示意Fig.2Schematic diagram of X,Y and Z planeof a SLM-produced sample1.1SSLM制造钛合金的各向异性正如文献14 中提到,研究者们研究了不同Ti-6Al-4V样品的XY面(构建面)和XZ面(构建方向面)在质量分数为3.5%NaCl和1MHCl溶液中耐蚀性上存在的差异.本工作采用动电位极化和电化学阻抗谱(EIS)测试等方法研究了SLM制备的Ti-6Al-4V合金的腐蚀行为.研究得出经SLM处理的合金在不同平面上的耐腐蚀
13、性与残余应力没有明显关系 15;如图3(a),SLM制备的Ti-6Al-4V在XZ平面上具有显著的构建层边界 16 .总体来说,SLM生产的Ti-6Al-4V合金的XZ面和XY面都显示出降低建造平台大量的针状马氏体.在图3的光学显微图中,大刮平粉床3扫描部件区域熔池基板图1选择性激光熔化工艺示意19SLM 制备的样品往往具有独特的柱状晶粒 12 组织.迄今为止,SLM已制备出多种金属材料,包括钛合金、不锈钢、高熵合金和钻铬合金,在不同的应用领域中,这些金属材料均具有较高的潜力.然而,由SLM制备的样品组织与传统的铸造或锻造方法制备的样品组织存在着差异,由传统制造工艺制备出的Ti-6Al-4V合
14、金的组织成分为相和相,而SLM制备的样品组织成分则为相和相 6 .SLM生产的材料在不同的生产平面上由于线状和分层状的形成X、Y、Z平面 13(图2),其性能和微观结构会有所不同.样品表面观察到的细长柱状颗粒或多或少地沿着制备方向,但没有完全指向Z面的垂直方向,有时会稍微倾斜 9.因此,不同平面的显微组织会导致材料性能的各向异性,如延展性、韧性、疲劳强度、缺口韧性和导电性等.ZYX部分区域都有明显的针状马氏体.XY平面和XZ平面的显微组织中均出现了气孔等缺陷,这是因为在激光扫描过程中存在粉末的堆积以及表面层过于粗糙.从图4L14中可以观察到在3.5%NaCl溶液中,XY平面和XZ平面之间的腐蚀
15、差异非常小,但在1MHCI溶液中,XY平面显示出更好的耐腐蚀性.这是由于SLM生产的Ti-6Al-4V合金的微观结构为针状马氏体相和少量-Ti 相,且 SLM生产的样品合金的XZ平面比XY平面由更多的Z-平面Y-平面20-Ti和更少的-Ti 相组成,这导致XZ平面的耐腐蚀性较差.因此,耐腐蚀性的差异归因于显微组织中相和-Ti 相的量的不同.孔洞孔洞构建方向先前粒状晶粒(a),XZ面针状马氏体江苏科技大学学报(自然科学版)XZ平面具有更好的耐腐蚀性.如图5,XY平面的深孔和小口径的Si壳可导致腐蚀产物的生长甚至沉积.在腐蚀过程中,腐蚀产物可能会挤出硅壳,并最终导致硅壳破裂.如果没有Si壳层的覆盖
16、,CI-会不断地渗透到铝基体中,最终导致严重的点蚀.针状马氏体而对于XZ平面,由于腐蚀产物无法沉积在浅孔和Si壳中,只能转移到试验溶液中.未损坏的Si壳层50um和合金表面形成的氧化膜构成保护层,保护铝基板免受CI的攻击,所以XZ平面的耐腐蚀性能要优于XY平面.因此,其耐蚀性的区别可以归因于共200m晶硅颗粒编织的硅壳结构的不同 18 .XY面浸没在NaCI溶液中2023年XY面浸没在NaCI溶液中孔洞50um先前晶粒200m(b)XY面图3SLM制得Ti-6AI-4V样品XZ面和XY面的光学显微结构Fig.3Optical microstructure of Ti-6Al-4V sample
17、XZ plane and XY plane prepared by SLM2.5SLM制备的Ti-6AL-4V的XZ平面2.0F1.5SLM制备的Ti-6AL-4V的XY平面1.0在3.5%NaC1溶液(XY,XZ平面)0-0.5F-8.0-7.57.0-6.5-6.0-5.5-5.0-4.5-4.0log/(i,Acm)图4SLM制备的Ti-6AI-4V合金在3.5%NaCI溶液和1MHCI溶液中的XY和XZ平面的动电位曲线(每个样品测试3次)Fig.4 Potentiodynamic curves for the XY-and XZ-planesof SLM-produced Ti-6Al
18、-4V alloy in 3.5%NaCI solutionand 1 M HCI solution(test three times for each sample)1.2SLM制造其他合金的各向异性文献 17 采用电化学测量和显微组织等研究方法研究了SLM制备的Al-12Si合金不同表面的腐蚀行为.电化学结果表明,在3.5%的NaCl溶液中,与XY平面相比,SLM制备的Al-12Si合金的腐蚀产物的形成腐蚀产物挤压和破坏Si壳:XY面上Si壳的腐蚀部分共晶硅颗粒腐蚀产物图5SLM生产的AI-12Si合金在3.5%NaCI溶液中XY和XZ平面的腐蚀过程示意Fig.5Schematic dia
19、gram of the corrosion processof the AI-12Si alloy produced by SLM in the XY andXZ planes in 3.5%NaCl solution2LSF制造金属材料的各向异性:AE,AE,!1腐蚀产物的形成腐蚀产物转移到测试溶液中,没有挤压Si壳XZ面上Si壳的腐蚀部分铅基板保护层在1MHCI溶液中激光立体成形是一种基于金属粉末的高性能(XY,XZ平面)增材制造技术,该技术是一个单步无废弃物的工ixz艺,具有高沉积速率的3D近净形状零件可以通过该技术制备.晶粒特征值得引起人们的关注,如尺寸、形貌、织构等与其加工方法密切相
20、关.与常规铸造和锻造件相比,LSF制备的零件晶粒更粗,亚显微组织更细,没有宏观偏析 19-2 0 1.激光固体成形制备的Ti-6A1-4V的微观组织一般为柱状晶,其晶粒特征对激光功率、扫描速度等工艺参数的变化以及沉积层位置的变化非常敏感.如文献 2 1 所提到,由于LSF制备的Ti-6Al-4V采用了一些典型的扫描策略,导致其在不同平面上表现出不同的显微组织特征.研究者们认为不同平面的微观结构差异不仅导致了力学性能的各向异性,还可能导致电化学阳极溶解行为的差异 2 2 .所以文献 2 1 通过对Ti-6Al-4V合金的显第3期微组织、电化学阻抗、Tafel极化曲线和动态电位极化表征进行分析,研
21、究了LSF制备的Ti-6A1-4V合金的电化学阳极溶解行为。图6 为LSF制备的Ti-6Al-4V合金垂直和水平方向的微观组织.可以看出,垂直和水平面上都显示出类似的层状结构(+).对于LSF制备的Ti-6Al-4V,在垂直平面上,如图6(a),样品的微观组织更加均匀.相比之下,LSF制备的 Ti-6Al-4V在水平面上的板条尺寸分布范围更广,这意味着微观组织分布不均匀.因为沉积具有快速凝固 2 3 和部分快速再加热和冷却的特点,所以能够观察到细小的魏氏组织 2 2 .电化学结果表明,LSF制备的Ti-6Al-4V的阳极溶解特性在不同平面上存在差异性.在15%NaCl溶液中,水平面(XOY面)
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 制造 金属材料 各向异性 研究 现状
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。