【摘 要】
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增材制造技术是本世纪以来制造业最重要的发展之一,用于制造具有独特复杂几何形状和优越功能的零部件,这是使用传统制造技术几乎无法实现的。尽管基础技术已经发展了几十年,但直到最近十年,该技术才成熟到可以高效的制造功能部件的水平。增材制造不仅意味着可以在不增加成本的情况下实现复杂的几何形状,还可以实现以前没有可行的制造技术存在的几何形状。然而,在制造过程中,由于工艺参数选择的不恰当使得制备出来的零部件产生
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增材制造技术是本世纪以来制造业最重要的发展之一,用于制造具有独特复杂几何形状和优越功能的零部件,这是使用传统制造技术几乎无法实现的。尽管基础技术已经发展了几十年,但直到最近十年,该技术才成熟到可以高效的制造功能部件的水平。增材制造不仅意味着可以在不增加成本的情况下实现复杂的几何形状,还可以实现以前没有可行的制造技术存在的几何形状。然而,在制造过程中,由于工艺参数选择的不恰当使得制备出来的零部件产生变形等缺陷,导致构件的寿命缩短,极大影响零部件的力学性能,这很大程度上制约了增材制造技术的发展。因此,探究增材制造技术成形机理与影响规律有助于这项技术的推广。激光功率作为增材制造技术重要工艺参数之一,对产品质量的影响有着极其重要的关系。本文通过调节激光功率制备出GH3039高温合金单道多层和多道多层沉积层,采用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、万能试验机等多种试验设备对沉积层进行表征,并且对沉积层的显微组织和力学性能进行对比,综合分析了激光功率对增材制造GH3039合金组织和力学性能影响规律。揭示了激光功率对沉积层缺陷作用机理,并且揭示了激光功率对沉积层显微组织作用机理和显微组织对力学性能作用机理。得到的一些研究成果能够为增材制造技术提供理论依据。具体研究内容如下:(1)单道多层沉积层底部主要分布柱状晶,中部是柱状晶和等轴晶的混合组织,顶部分布大量的等轴晶。单道多层层与层之间存在较明显的界面,界面主要分布的缺陷类型为裂纹,裂纹主要分布界面上下晶粒形态不相同处;当界面上下晶粒形态一致时,出现裂纹的可能性较小。当激光能量输入不当,沉积层顶层分别出现丝材熔融不充分或者熔池坍塌两种问题。(2)多道多层沉积层主要出现了夹杂、粗糙表面、大角度晶界裂纹、气孔、热裂纹和层间裂纹六大缺陷类型,这些缺陷的产生都与能量输入不当有关。激光能量输入不当会导致温度分布不均匀,不同区域的温度分布不均匀时,凝固速度不一致,将导致不同形态的微观组织,在热应力作用下,将产生缺陷。激光减功率成形的沉积层,在顶部、中部、底部缺陷大量减少,并且缺陷形貌也发生了巨大的改变,由扁平而长的裂纹转变成短而圆的孔洞。但是激光减功率制备的样品表面更加粗糙。(3)多道多层沉积层晶粒组织分布存在着一定的规律性:熔池顶部以等轴晶组织为主,熔池底部以柱状晶为主,熔池的中间区域大多以柱状晶向等轴晶的形式存在。采用激光减功率的方式可以达到晶粒细化的效果,不同区域的柱状晶转换成等轴晶,所以柱状晶的占比会下降,等轴晶的占比整体上会提升。通过激光减功率以后,沉积层的缺陷整体上减少了;第二是通过控制热输入,降低温度梯度,提高凝固速度,使得晶粒得到细化。激光减功率沉积层的界面结合强度、沉积层显微硬度和不同方向的屈服强度都得到了不同程度的提升。本文研究表明,调节激光功率可以一定程度上减少缺陷,促进晶粒细化,改善了沉积层的界面结合强度和提高强度,为解决增材制造热累积效应,重熔、坍塌等问题提供了一个新思路,对生产出高性能GH3039合金增材制造零部件具有积极的意义。
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