Research on Properties of Ti-6Al-4V Manufactured by Laser Melting Deposition under the Protection of Mixed Inert Gas

Ti-6Al-4V合金由于其优异的综合性能成为航空航天，汽车和生物医学行业中最常用的钛合金。传统钛合金制造技术存在生产周期长，材料利用率低，制造成本高，难以制造复杂形状零件等问题。激光沉积技术是一种将数字化模型逐层构建成实体零件的增材制造技术，已被用于生产净成形钛合金零件并降低制造成本和扩大合金的应用。目前传统激光沉积制造钛合金一般使用惰性气氛加工室，一定程度上降低了零件的加工效率，鉴于此本文提出基于随形保护罩的混合惰性气体保护的激光沉积制造方法，对Ti-6Al-4V展开实验研究，分析钛合金氧化行为，验证保护罩的保护效果。同时提出通过无量纲工艺图指导工艺参数选择，探索工艺参数对合金组织和力学性能的影响规律，发掘激光沉积制造高强度和高塑性零件的潜力。本文主要研究工作如下： 首先搭建了惰性气体保护罩装置，采用Fluent软件模拟了保护罩内氩气和氦气的流动对罩内氧含量影响，模拟结果说明混合惰性气体可迅速有效地降低罩内氧含量，静态下约11min氧含量降至125ppm，对应的理论氮含量降至500ppm。 其次基于热力学原理研究Ti-6Al-4V氧化膜的产生机理，分析合金中各元素反应的条件和顺序。基于氧化动力学研究影响钛合金氧化速度的主要因素。结果表明：熔池温度低于2500K时主要发生氧化反应生成TiO2，氧化速度的控制因素是氧离子的扩散速度，氮化反应处于次要地位。激光沉积制造钛合金的化学分析结果显示平均增氧量为548ppm，平均增氮量为230ppm，符合理论计算预期。 然后通过量纲分析法推导得到无量纲等效能量密度E0*，进一步利用文献中获取的数据构建激光沉积工艺的无量纲工艺图，为比较各类型的增材制造方法、材料体系、工艺参数提供统一的框架，对参数的选取具有指导意义。对主要参数对成形的影响规律进行研究，结果表明：激光功率低于1000W时粉末易球化，恶化零件性能；搭接率在40%时具有较好的成形质量；送粉量为4.44/ming时具有较高的成形精度，最大粉末利用率为60%。 在无量纲工艺图窗口内进行正交试验设计，固定其他参数，对激光功率、扫描速率和扫描间距进行优化，并研究参数对零件组织和性能的影响规律。激光沉积制造钛合金零件的沉积态组织为贯穿多层外延生长的柱状晶，晶粒主轴垂直于基底，略向扫描速率方向偏移。随E0*增大，柱状晶宽度有增大趋势。柱状晶内部是针状&alpha;ʹ马氏体和网篮状组织。显微硬度测试结果显示试样E0*=2.34时获得最大显微硬度为404.3HV。零件致密度呈现出随E0*增大而先增大后略减小趋势，E0*=3.64时获得最大致密度为99.62%。拉伸测试结果显示所有试样的抗拉强度均达到锻件水平，但延伸率区别较大。同时本文还实现了沉积态试样性能达到文献中材料热处理后的性能水平。E0*=3.74时获得最佳力学性能，显微硬度为391.7HV，屈服强度为890MPa，抗拉强度为963MPa，延伸率为13.4%。 综上，本文采用混合惰性气体保护方法进行激光沉积制造Ti-6Al-4V，成功制备出低氮氧含量的零件，具有直接制造零件和现场修复受损零件的潜力。通过无量纲工艺图和正交设计的对工艺参数进行优化，获得了性能可与锻件媲美的零件，对高强度高塑性零件的制造具有重要指导意义。</p

基于无量纲工艺图的激光熔化沉积制备Ti6Al4V工艺与性能研究

如何高效获取合适的工艺参数进行激光熔化沉积(LMD)制造高性能零件是一项艰巨的挑战。提出了一种有效进行参数选择的方法，建立了基于LMD工艺的无量纲参数组，利用文献中获取的LMD工艺数据构建无量纲工艺图，确定了本试验LMD制备Ti6Al4V的工艺范围。利用正交试验研究了不同激光功率q、扫描速率v和扫描间距h组合下的无量纲等效能量密度E0*对LMD制备Ti6Al4V块状试样组织和性能的影响。结果表明，LMD制备的试样呈现出明显的柱状晶外延生长特点，柱状晶的宽度随E0*增加而增大。在通过无量纲工艺图确定的最优参数E0*＝3.74下LMD制备的Ti6Al4V试样无熔合缺陷，硬度为391.7 HV，抗拉强度为963 MPa，延伸率为13.4%。结果表明，利用构建的无量纲工艺图缩小工艺参数范围，可以获得综合力学性能优良的样件。</p

Effect of Annealing Temperature and Strain Rate on Mechanical Property of a Selective Laser Melted 316L Stainless Steel

In the present work, 316L stainless steel specimens are fabricated by selective laser melting (SLM) via optimized laser process parameters. The effects of two extrinsic factors, i.e., strain rate and annealing temperature, on the mechanical performance of SLM-processed parts are studied. The two intrinsic factors, namely strain rate sensitivity m and work hardening exponent n, which control the tensile properties of the as-built samples, are quantified. Microstructure characterizations show that cellular structure and crystalline grain exhibit apparently different thermal stability at 873 K. Tensile testing reveals that the yield strength decreases from 584 +/- 16 MPa to 323 +/- 2 MPa, while the elongation to failure increases from (46 +/- 1)% to (65 +/- 2)% when annealing temperature varies from 298 K to 1328 K. The n value increases from 0.13 to 0.33 with the increase in annealing temperature. Due to the presence of fine cellular structures and high relative density achieved in as-printed 316L samples, a strong dependence between tensile yield strength and strain rate is observed. In addition, the strain rate sensitivity of the SLM-produced 316L part (m = 0.017) is much larger than that of conventional coarse-grained part (m = 0.006), whereas the n value increases slightly from 0.097 to 0.14 with increasing strain rate

激光毛化形貌对高速轮轨冰润滑黏着系数的影响

轮轨黏着系数对于列车运行的安全性与稳定性具有决定性的影响。在冬季,钢轮表面的薄冰会大幅降低轮轨黏着系数。根据水的相图和压力融化原理,将轮轨接触区域划分为钢-冰固体接触区和钢-水混合润滑接触区,基于统一雷诺方程模型,研究了温度在-21℃至0℃,运动速度为100~500km/h范围内,高速轮轨黏着系数随速度的变化规律,并提出采用激光毛化技术在车轮表面形成规则形貌(纵纹、横纹、菱形),将有助于提高冰水混合润滑状态下的轮轨黏着系数,为高速列车黏着控制技术提供理论基础

激光毛化形貌对高速轮轨冰润滑黏着系数的影响

轮轨黏着系数对于列车运行的安全性与稳定性具有决定性的影响。在冬季,钢轮表面的薄冰会大幅降低轮轨黏着系数。根据水的相图和压力融化原理,将轮轨接触区域划分为钢-冰固体接触区和钢-水混合润滑接触区,基于统一雷诺方程模型,研究了温度在-21℃至0℃,运动速度为100～500 km/h范围内,高速轮轨黏着系数随速度的变化规律,并提出采用激光毛化技术在车轮表面形成规则形貌(纵纹、横纹、菱形),将有助于提高冰水混合润滑状态下的轮轨黏着系数,为高速列车黏着控制技术提供理论基础

激光选区熔化成形316L不锈钢工艺、微观组织、力学性能的研究现状

增材制造涉及快速的非平衡热过程，导致成形件中存在大量的亚稳相和缺陷，这些亚稳相和缺陷在构件服役过程中极易成为失效源。因此，打印态构件一般都要经过热处理才能充分发挥其潜在的性能优势。近年来，国内外许多研究机构在激光选区熔化(SLM)制备316L不锈钢方面取得了突破，SLM-316L不锈钢打印态的强度和韧性都远远超过锻件，这是因为材料内部形成了跨越6个数量级的非均匀层级结构(包括晶粒、缺陷、熔池、胞结构、纳米氧化物颗粒),这是增材制造通过其特殊的非平衡热过程调控材料微结构的结果。316L不锈钢具有面心立方结构，在冷却至室温过程中不发生固态相变，这种特性非常有利于开展基础研究，揭示增材制造材料跨尺度结构对其性能的影响规律。本文详细阐述了SLM-316L不锈钢成形在工艺、跨尺度结构及力学性能方面的研究现状，结合笔者的工作，阐明并分析了SLM-316L不锈钢具有高强高韧力学性能的主流学术观点，展望了该材料今后的重点研究方向