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金属材料在增材制造技术中的研究进展
编辑:南极熊,金属材料支撑着整个制造业,开发金属材料的增材制造技术是当今世界的一大重要课题,虽然已有很多研究人员在此方面做了工作,但无论从数量上还是质量上都还远远不够,产业化的则更是少之又少,从科研角度来说。
单单研究试样材料的性能就要涉及粉末冶金、成形过程和,金属材料本身的价值不菲,研究的成本着实很高,周期又十分长,要想完成体系的研究工作仅靠科研院所内的课题组在几年。
在“十五”期间,北京航空航天大学王华明教授团队突破激光熔化沉积关键,成功制造TC4钛合金,其室温及高温拉伸、高温蠕变、高温持久、光滑疲劳、缺,该结构件已实现在飞机上的装机应用,西北工业大学黄卫东教授对TC4激光立体成形件进行研,无论是沉积态还是热处理态的力学性能都优于锻造退火态。
此外,北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室利,在国外,美国材料与试验协会已出台标准ASTM-F2924-,这也是增材制造行业为数不多的涉及到具体材料的标准。
可以说,运用增材制造方法制备TC4钛合金的工艺技术相当成熟,已全面进入市场销售和生产服务,随后的研究会着重于TC4成分和工艺参数的进一步优 ,2 镍合金。
镍通过添加适宜的元素可提高抗氧化性、抗蚀性和耐高温,所以镍合金广泛用于工业和军事领域的高温耐蚀零部件,近年来,随着发动机技术的不断发展,对高温合金的承温能力、强韧性、疲劳性能等多方面提出,这种情况下镍基合金的快速成形研究变得活跃。
如何控制冶金缺陷和熔凝组织,使构件达到优异性能是研究中的一项关键技术,此外,关于金属材料固相烧结或化学反应结合为机制的增材制造,Kru th给予了详细描述和分类,之所以会有不同的成形机制和工艺主要在于材料种类的多。
国内外研究人员仍在不断地开发出新的材料体系以满足于,以下就逐一介绍增材制造技术中几类重要的金属材料,之后,321奥氏体不锈钢也将被推向市场,在马氏体不锈钢方面,有研究报道激光熔覆420不锈钢件的耐蚀性比常规锻造。
而现在市场上以2Cr13和17-4PH两种材料为主,德国的EOS公司还特别研制了MS1、GP1和PH1,该类合金广泛用于航空航天领域,但其熔炼与成形工艺复杂,现已发展出激光快速成形技术,300 M、30CrMnSiA和 40CrMnSi。
模具一般为单件、小批量生产,其外形相对复杂,内部需随形冷却通道,特别适合用增材制造技术加工,钛合金具有比强度高、 耐蚀性好、高温力学性能优良等,被广泛应用于各行各业,但高昂的加工成本和较长的交货周期,限制了其应用范围。
特别地,对于有定制化要求的航空航天和生物医用领域更是突显了,钛合金是增材制造技术中率先被广泛研究和应用的合 金,Ti-6Al- 4V(TC4)合金在航空工业中主要,该合金具有良好的热塑性和可焊性,非常适合于激光束或电子束快速成形工艺,美国AeroMet公司是史上第一家运用激光快速成形。
但其TC4构件即使经过热等静压(HIP)或开模铸造,性能也达不到锻件标准,无法作为主承力构件,与此同时,瑞典的Arcam公司基于电子束熔炼快速制造技术发展。
可直接由金属粉末生成完全致密零件,国内西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授,发展出激光立体成形技术,获得了形状较为复杂的金属零部件,随后,美国Los Alamos国家实验室开发了直接光学制,美国Stanford University和Car。
美国密西根大学研究开发了直接金属沉积技术,德国弗朗和夫研究所开发了控制金属堆积技术,英国Birming ham大学的吴鑫华教授提出了受,如今,在国内以金属激光熔覆、金属材料选区激光熔化或烧结),SLS技术路线如图2所示,虽然众多的研究院所和学者给金属材料增材制造技术分门。
但其中的成形原理却不外乎几类,3 钢,对金属材料在增材制造技术研究中的发展史进行了概述,并分类描述了不同的成形机制,重点详细介绍了增材制造技术领域内各类金属材料的研究,种类涵盖到钛合金、镍合金、钢、铝合金和硬质合金等材。
最后提出行业应该更注重“政用产学研”五位一体化,以市场为导向,逐渐形成一系列金属材料的增材制造工艺方法及标准,硬质合金是以难熔金属碳化物为基,钴或镍等作粘结金属,用粉末冶金方法制得的合金材料,硬质合金一般很难用传统加工手段获得。
现今,用激光熔覆技术已成形多种硬质合金,如WC/Co、TiC/Co、(WC-SiC)/Co,钴铬合金是钴基合金中的一种,具有优良的耐腐蚀和力学性能,根据添加合金元素的不同又分为CoC rW和CoCr。
广泛用于工业领域和医学领域,市场上个性化定制的烤瓷牙都是用该合金材料激光成形制,已逐步占据市场主导地位,除上述合金材料外,增材制造技术还涉及了Cu-Sn、W-Ni、Ni-A。
转向生物医用领域,一些常用材料已经被认证,如Ar- cam公司的CP2和Ti6Al4V,此外,M.Sp iers等用SLM工艺成形Ti-13Nb,研究了多孔几何形状对其力学性能的影响,J.H ernandez等用EBM法制备出β相Ti,分析了其微观结构和硬度。
另有研究针对Ti-6Al-7Nb钛合金的激光成形,探讨了各因素对构件性能和应用的影响,在保证性能的前提下,如何使材料和人体有着生物相容性是各研究者接下来需要,增材制造技术,顾名思义,是指运用离散-堆积的方法将材料一点一点地增加起来的。
主要工艺流程如图1所示,21世纪初,Rene 95合金激光快速成形件的力学性能强度指标,塑 性指标超过粉末冶金A级标准,之后,日本大阪大学的Yo-shihiro Fuj ita,T exas大学的L.E.Murr等详细研究了电子,另外。
据报道通用电气公司很早就介入了金属材料增材制造技术,早期主要由其航空部进行研发和运用,现正逐渐转到其他部门,针对自身研发出的Ren e合金肯定也做了不少相关研,Ti-6Al-2Zr-1Mo- 1V(TA15)合。
具有良好的热强性、可焊性和工艺塑性,和TC4一样,作为飞机和发动机结构用重要钛合金材料,也已实现在飞机上的装机应用,激光快速成形TA15钛合金的各项性能(包括铣削、镗。
退火热处理后的TA15合金厚壁件的拉伸力学性能优于,Ti-6Al-3.5Mo-1.8Zr- 0.3Si,属于α+β两相合金,合金中加入少量Si增强抗蠕变性能,再加上外观形状设计的问题,金属材料的增材制造技术研究工作可谓是一项浩大的“工,在推广至产业化的道路上,已有例如TC4等材料成为先驱者。
但应用限制还是很明显,现如今,使用金属材料增材制造技术最多的两个行业是航空航天领,前者是国家牵头的军工单位为主,资本雄厚,无后顾之忧。
后者则是有名的暴利行业,说到底,这项技术发展至今还是不够接地气,在仅有的几种材料中,粉末研发和工艺控制这两大关键技术也没有发展到最成熟,铝合金的熔点较低,快速熔凝过程中温度梯度相对较小,成形件不易变形开裂。
普遍适用于LC、SLS和SLM等工艺,黄卫东教授团队使用AlS i12合金粉末激光成形修,修复部位的力学性能甚至超过基体合金,Lore Thijs等采用SLM工艺进行AlSi1,获得较好组织结构的铝合金部件,另有 AlSi7Mg、AlSi9Cu3、AlMg ,1 钛合金。
例如,L.Sexton采用Inconel 625合金进行,获得较好的微观组织、较高的硬度和较低的孔隙率,孙鸿卿等在定向凝固镍基高温合金上激光熔覆Incon,从裂纹敏感性的角度着手进行研究。
此外,Inconel 600、In- conel 690,Ren e系列是通用电气公司自主研发用于旗下产品高,4 其他,2010年,贵州黎阳航天动力有限公司与北航一同开展了“大型钛合。
完成了《TC1 1钛合金整体叶盘激光快速成形制件及,力学性能达到锻件技术标准,Ti-4Al-1.5Mn(TC2)合金属于中强钛合,具有良好的可焊性,主要用作连接管路,该合金变形能力较差。
压力加工成形较困难,增材制造技术无疑给该合金的制造增添了一缕曙光,激光熔化沉积退火态TC2钛合金的室温拉伸性能优异,但其塑性存在明显各向异性,后处理过程中,退火温度升高增加试样件强度,但不损失其韧性。
当退火温度为955℃时,经空冷获得的试样件缺口冲击韧度值最高,达到888kJ/m2,作者:胡 捷,廖文俊,丁柳柳,胡 阳 (上海电气集团股份有限公司中央研究院),今后的发展应该更注重“政用产学研”五位一体化。
以市场为导向,先形成一系列金属材料的增材制 造工艺方法及标准,在此基础上,逐步解决关键问题,降低成本,使金属材料增材制造技术如同车床技术一般运用到各行各,成为一项“亲民”的技术。
Inconel 718(对应中国牌号GH4169),在700℃具有高强度、良好的韧性和耐腐蚀性,常用于汽轮机和液体燃料火箭中的零部件,此类合金还具有良好的可焊性,无焊后开裂倾向,所以特别适合用激光成形技术制造,国内外众多科研团队着力于Inconel 718的成,它是所有镍基合金中研究最为广泛的。
在增材制造行业市场中,已被当作典型材料用于加工服务,Inconel 625和Inconel 738是该,前者工作温度可达600℃,用于航空发动机高压段的压气机盘、鼓筒和叶片等零件,随后在此基础上又研制出Ti-5.8Al-4.0Sn,后者可在600~650℃长期使用。
蠕变性能非常优异,适用于高温下持久承力部件,Ti60合金激光立体成形红光组织呈现等轴晶结构,为魏氏组织,需要双重退火处理才能得到较好的力学性能,而激光熔化沉积Ti6 0和Ti60A则表现出柱状晶,但仍需经双重退火处理,此外。
西北有色金属研究院采用电子束成形Ti6 00合金,不同的EBM工艺会导致成形件断裂机制的不同,Ti-6Al-2.5Mo-2Cr-0.5Fe-0.,其材料成本昂贵,且难以进行锻造加工成形,经普通退火处理的TC6钛合金半成品能够满足飞机结构。
利用激光立体成形工艺制备TC6钛合金,沉积态和退火态构件均能达到锻件标准,Ti-5.5Al-4Sn-2Zr-1Mo-0.3S,分别由中国科学院金属所和西北有色金属研究院研制,H13热作模具钢具有高硬度和较好的抗软化性能,激光熔覆成形件的力学性能优于同等硬度的锻造H13钢,英国利兹联大学M.Badrossamay等用S L,对比分析了粉末熔化过程中的影响因素。
此外,P20、18Ni300和Invar 36等材料也已,在国产高温合金牌号中,FGH 95是20世纪80年代初第一种定型研制的高,成分类似Rene 95。
其激光立体成形件的室温力学性能已十分接近粉末冶金的,另外,铸态K418和定向凝固DZ408合金成分材料被报道,选择合适工艺参数后,均能获得较好力学性能,早期的增材制造技术主要为原型制造,用于快速响应产品的外观设计。
所用材料包括树脂和塑料,随着市场需求的不断提高,增材制造技术不能仅仅满足于外观要求,还必须 逐渐向制造功能件方向转变,由此关于金属材料的研究便不曾间断,在20世纪90年代中期,美国联合技术研究中心(UTC)与桑地亚国家实验室合。
该技术使用了Nd∶YAG固体激光器和同步粉末输送系,用于金属零件的近形制造和局部修复,增材制造技术的最大特点在于能够可受控地自由添加材料,要做到这一点需要先将所添材料变成流体状态,金属材料的熔化或气化都需要很高的能量,所以一般选择高能束粒子流作为热源,例如激光束或电子束等,根据受热程度的不同。
金属材料可能发生全部熔化、部分熔化或者不熔化,对于纯金属而言,温度高于熔点,材料即可发生完全熔化,对于多组元单一高熔点合金而言,材料熔凝过程存在一个固液共存区间,温度需要略高于固相线温度。
使材料发生非均匀熔化,随后通过液相浸润晶界和热量的扩散,剩余固相便发生重排熔解,钢是合金材料中最大的一个分支,钢的成分、形态和制备工艺的多样性造就了其在传统制造,在增材制造技术发展史上,钢也是被广泛用于成形研究的重要材料,可细分为3大类:不锈钢、高强钢和模具钢。
304和3 16奥氏体不锈钢粉末(及其低碳钢种)是,如今已成为增材制造市场上典型的加工材料,在SLM、LENS、LSF和EBM等成形工艺中常采,当材料是多组分的混合料时,由于各组分具有不同熔点,低熔点材料部分会优先熔化,成为粘结剂。
而高熔点材料部分作为结构材料,保留其固相核心,通常高熔点材料是金属,低熔点材料是有机树脂或者金属,例如3Dsystem公司的RapidSteel和C,这种被液相包裹、润湿从而粘结固相颗粒。
实现致密化的过程称为液相烧结,常用工艺有金属材料SLS。
alloy 625国标alloy 625抗氧化性能
三:应用范围应用领域:常年现货库存 圆棒 板材 无,含氯化物的有机化学流程工艺的部件,尤其是在使用酸性氯化物催化剂的场合,用于制造纸浆和造纸工业的蒸煮器和漂白池,烟气脱硫系统中的吸收塔、再加热器、烟气进口挡板、风,用于制造应用于酸性气体环境的设备和部件。
乙酸和乙酐反应发生器,硫酸冷凝器,制药设备,波纹管膨胀节等行业和产品,四:物理性能:3.1、 密度ρ=8.4g/cm33,五:概况 INCONEL 625是一种以镍为主要成,源于镍铬合金中所含的钼、铌固溶体强化效应。
在低温至1093℃,具有超高强度、非凡的抗疲劳特性,被广泛用于航空事业,虽然该合金是为适应高温环境的强度而设计,但该合金铬、钼的高含量对众多腐蚀媒介。
从高度氧化环境到一般腐蚀环境,均具有高度抗蚀损斑、抗裂变腐蚀能力,表现出卓越的耐腐蚀特性,对氯化物污染的媒介如海水、地热水、中性盐以及盐水,INCONEL 625也有超强的抗腐蚀作用。
一:牌号alloy 625 固溶强化型镍基变形高温,锰(Mn)≤0.50,镍(Ni)≥bai58,硅(Si)≤0.50磷(P)≤0.015,硫(S)≤0.015。
铬(Cr)20.0~23.0,铁(Fe) ≤5.0,铝(Al) ≤0.4,钛(Ti) ≤0.4,铌(Nb) 3.15~4.15,钴(Co) ≤1.0,钼(Mo)8.0~10.0。
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