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从事激光行业的看过来,这些你必须知道:激光切割粉末床的机制

来源:www.laser08.com 时间:2022-04-22 点击:840
由于激光粉末扩散 (L-PBF.) 研究的材料性能存在显着差异,钛合金 (TiA) 和铜合金 (CuA) 的复合材料部件对其增材制造提出了许多挑战。在这里,我们展示了不同设计方法中 TiA → CuA 的界面特性。我们发现,由于薄的 Ti-Cu 反应区,直接键合会导致 CuA(<10 μm)与 TiA 分层。界面区域的回流和界面附近的少量CuA层使熔融的CuA熔池转变为小孔状态,从而进一步混合Ti-Cu并适当地结合材料。功能梯度材料 (FGM) 形成硬度 > 1000 Hv 的脆性 Ti-Cu 相,这导致 CuA 块与预印的 TiA 块分离。已经在各种情况下提出了绑定机制。
钛合金 (TiA),如 Ti6Al4V,具有低密度、高比强度、生物相容性和高耐腐蚀性。它们广泛用于飞机,如发动机零件、部件、起落架、医疗植入物等。但是,TiAs 价格昂贵且难以处理。不锈钢(SS)价格便宜,具有良好的机械性能和良好的耐腐蚀性,但比强度低于 TiA。因此,采用焊接、扩散焊和喷砂焊等传统加工方法来制造由TiA不锈钢制成的双金属部件正在考虑之中。应该注意的是,在所有上述研究中,在 TiA 和 SS 之间添加了第三种金属(例如 Cu)的中间层,以防止在处理过程中形成脆性金属间化合物(例如 FeTi、Fe2Ti)。 Ti-Fe相的存在降低了TiA-SS的粘合强度并导致宏观缺陷,例如裂纹和分层。中间Cu层防止钛合金中的Fe元素扩散并防止Fe-Ti和Fe-Cr-Ti相的形成。
增材制造 (AM) 的当前趋势是制造具有优异性能的新材料(例如高熵合金和功能分类材料)以及制造集成的结构功能部件。希望通过结合不同的材料,实现设计与制造相结合的“材料-结构特性”来实现上述目标。
激光粉末扩散 (L-PBF) 是一种添加剂金属加工技术,其中沉积在粉末床上的一层薄薄的粉末颗粒被激光束熔化以形成固体成分。 L-PBF加工的材料范围相当广泛,包括钢基合金、铝合金、钛合金、钴基合金、铜基合金、铜、镍等材料中的铜基合金。因此,L-PBF 是一种新的增材制造技术,它使用粉末原料的不同组合来开发新的材料系统。将机器学习等人工智能技术应用于 L-PBF 多材料研究将加速新材料的开发。
研究了金属材料的不同组合(例如,Cu-SS、Cu-Fe 和 Ti-TiB2)。然而,有几项研究着眼于由 TiA 与其他合金组合生产 L-PBF。这是因为Ti的晶体结构与其他元素不同,导致Ti在其他金属元素中的溶解度较低,容易形成热力学稳定的金属间相,如B.Ti+Al→Ti3Al、Ti+Ni→NiTi2/Ni3Ti而Ti+Fe→FeTi/Fe2Ti,导致双金属化合物的冶金结合不良。这个问题的实际解决方案是上述传统方法中使用的跨层方法。
新加坡研究人员表明,铜合金 (CuA) 可与 Ti6Al4V 和 316 升不锈钢结合用作介质。在他们的研究中,材料按 SS → CuA → TiA 的顺序沉积并汇集。 TiA位于CuA中间层之上,CuA-TiA界面已被广泛研究。在多组分组件的实际设计中,材料的应用顺序可能会有所不同。也就是说,CuA中间层可以大于或小于TiA单元。然而,尚未研究在 TiA → CuA 序列(即首先通过 TiA 打印)中产生的 TiA-CuA 界面的结合特性。进一步研究 TiA-CuA 界面的结合特性将有助于消除 AM 介质与其他合金(例如钢基合金、合金和合金)结合的障碍。
在这项研究中,TiA → CuA 样品是使用多种界面处理技术制备的,包括直接键合、回流和 FGM 间隔物生成。研究了材料间界面的粘附特性。本研究的贡献是了解根据不同制造技术从几种材料增材制造 TiA-CuA 中的键合机制和材料特性。
使用内部多组分 L-PBF 系统使用超声波多粉末材料分配功能制备双金属 Ti-Cu 样品。该系统的工作原理已在之前的工作中进行了描述。该系统配备 500 W CW 光纤激光器,波长为 1070 nm,焦距为 80 µm。粉末流量由粉末分配器的超声波传感器的振动控制。超声波振动产生的灰尘层融化,厚度不均匀。在这个区块中,原始的尘埃层被渐变的尘埃叶片线性压缩。在 L-PBF 工艺中,保护气流对焊接熔池的孔隙率和几何形状有显着影响。氩气从设备内部的槽形喷嘴横流释放烟雾和烟雾进入粉末床,防止飞溅物进入治疗区域。氧含量被调整到小于0.05%(体积)。 CuA粉末、TiA粉末和CuA-TiA粉末混合物储存在不同的粉末容器中,带有细料喷嘴(内径450μm)。粉末撒布机的运动在粉末床的几个点分离不同的粉末。
初步研究表明,虽然 CuA 和 TiA 具有冶金相容性,但 CuA 很难直接附着在 L-PBF 生产的 TiA 上。 Qiu 等人报告说,在 L-PBF 过程中,前一层的充分回流导致良好的层间粘合。 FGM结构利用材料成分的均匀变化,逐渐改变两种不同基板的物理机械性能,避免因材料成分突然变化而产生裂纹和沉积等缺陷。为了比较,使用各种键合方法打印三种类型的 TiA → CuA 双金属,包括 a) 直接键合和 b) 通过在 TiA 和 CuA 之间添加 CuA-TiA 中间层来回收前五个 CuA 层。 .首先使用 L-PBF 打印三个样品的 TiA,然后用 TiA 构建 CuA。
在本研究中,使用两组这些参数来解析 CuA 和 TiA 粉末。两种材料的熔点和导热系数的差异导致高熔点金属在不同粉末混合物中的熔化不足。基于每一代方法,在过程中创建了四个具有相同参数的样本,以确保实验结果的一致性。
将所有样品切成 1.5 mm 的厚度并观察它们的横截面。这些样品用聚合物填充、研磨和抛光。分别用化学酸化的氯化铁溶液和 Kroll 试剂蚀刻 CuA 和 TiA 区域,以获得光学显微镜材料的界面微观结构。使用离子电路对用于电子反向散射分析 (EBSD) 的样品进行抛光。
在本研究中,使用配备 100X-1000X 通用变焦镜头 (VH-Z100UR, KEYENCE) 的数码显微镜 (VHX-5000, KEYENCE) 拍摄光学显微照片。使用扫描电子显微镜 (SEM) 和能量色散光谱 (EDS) (Sigma VP FEG SEM, Zeiss) 分析样品的微观结构、完整性和化学成分。使用高分辨率 X 射线衍射仪 (XRD, Smartlab, Rigaku) 测量所有样品的基板-材料边界通道。使用 EBDS 系统 (JSM 7800F, JEOL) 生成界面材料图。所有样品界面的显微硬度均采用显微硬度计(Durascan 80,Struers)按照HV0.2方法,40X镜头进行测量。
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