激光粉末定向能量沉积的研究现状及工业应用(2)

3D打印科研前沿
2022
06/24
15:25
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来源:江苏激光联盟

导读:据悉,本文综述了激光粉末定向能量沉积(LP-DED)的工业应用。本文为第二部分。


梯度材料
LP-DED工艺的一个主要优点是可以通过改变沉积材料的成分来生产组件,从而获得功能梯度材料(FGM)。通过局部更改构成零件的材料,可以优化零件的功能。因此,FGMs组件的特性是不均匀的,但它们在组件内会发生变化。例如,考虑到皮带轮,更可取的做法是在轮毂和轮缘附近使用硬化耐磨材料,在芯部使用更具韧性的材料(图16)。两种材料之间界面区的机械性能介于纯材料性能之间。

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图16 功能梯度材料在皮带轮上的应用表示。

工业中广泛使用了几种常规技术,可以获得FGM组件,如物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、粉末冶金(PM)和离心法(CM)。然而,与传统工艺相比,使用LP-DED工艺,除了可以生产复杂形状外,还可以获得更高的产量、更低的能耗和最大的材料利用率。此外,LP-DED过程允许修改设计过程,引入化学成分作为设计参数。

在以下段落中,介绍了工业和学术领域中获得的最相关的研究结果,涉及应用的宏观领域,即航空航天、工具和前两个领域中未包括的所有其他部门。

航空航天用LP-DED FGM零件
航空航天部门是第一个应用FGMs的部门。FGM组件包括火箭发动机组件、航天器桁架结构和热交换面板。然而,生产的零件具有高应力集中的特点,可能会发生分层。因此,进行了几项可行性研究,以优化具有不同特性的材料组合,同时考虑工艺参数和成分。此外,连接的几何形状和尺寸也会影响机械性能。

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在使用预混合粉末混合物的LMD过程中,沉积前后的组成比可能不同。

钛合金因其高耐蚀性、高强度重量比、低密度和高温下的高强度而在航空航天领域得到广泛应用。然而,它们的耐磨性差,硬度低。为此,为了克服这一问题,研究了不同的FGM材料。其中,TiC是生产钛FGM组件研究最多的材料之一,因为它与钛合金具有冶金兼容性,密度低,硬度和杨氏模量值高。

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(a)制造良好的GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构。(b) GRCop-84/铬镍铁合金718双金属结构的横截面。(c) GRCop-84/铬镍铁合金718 FGM,具有成分梯度层。

此外,应注意的是,不同的航空航天组件,如望远镜和高精度光学镜基板,受到可能导致热冲击和尺寸变形的大温度变化。这可以通过使用具有低热膨胀系数特征的材料来减少。

铬镍铁合金是另一种成功用于航空航天应用的材料,因为它具有耐高温腐蚀、抗疲劳和抗蠕变的性能。为了提高铬镍铁合金718的导热性,Onuike等人生产了In718/GRCop-84 FGM。GRCop-84是一种铜基合金,用于主燃烧室和喷嘴衬套。采用了两种方法,即在In718上直接沉积GRCop-84和在沉积过程中逐渐变化GRCop-84合金。结果表明,与IN718相比,采用渐变法可以获得更均匀的界面,热导率提高约300%。然而,为了生产无缺陷样品,由于GRcop-84的高反射率,比能量应增加约270%。

模具行业中的LP-DED FGM

功能梯度材料的首批工业应用之一涉及表面涂层,由海德激光服务公司获得。这是一家总部位于马萨诸塞州的公司,其应用主要集中在工具和模具、核能和发电行业的耐磨涂层上。第一步是比较LP-DED工艺与传统工艺的性能。使用LP-DED工艺在镍基体中沉积碳化钨,与传统工艺(如热喷涂或等离子转移工艺)相比,他们获得了更好的冶金结合。Thivillon等人将LP-DED工艺与TIG焊接进行了比较,分析了钴基钨铬钴合金和镍基高温合金Inconel 625的涂层质量。通过显微组织、硬度和稀释度等不同特性来评估涂层质量。结果表明,采用LP-DED工艺可获得更高的硬度和更细的晶粒。此外,TIG焊接获得的冶金结合显示出许多不规则性。相比之下,LP-DED得到的冶金结合效果较好(图17)。

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图17 钨铬钴合金6涂层TIG和b DMD工艺的比较。

硬度是影响模具寿命的最重要因素之一。事实上,模具寿命随着硬度值的增加而增加。H-13工具钢由于其高淬透性和高抗热疲劳性,是模具行业最常用的材料之一。Chen等人在718H钢上沉积CoMoCr合金表明,由于碳化物和马氏体硬质相的形成,模具显微硬度比初始结构增加了两倍。

除了机械特性外,FGM材料还成功应用于优化模具和模具的能耗、环境影响和材料使用。事实上,H-13工具钢的另一个缺点是导热系数低,这会导致更长的时间周期。为了优化能耗、环境影响和材料使用,并进一步缩短循环时间,高导电材料被用作