首页/文章/ 详情

中美联合顶刊丨新型主动冷却优化电弧增材制造镁合金的微观结构和强度

1月前浏览1156


01

研究背景


冷金属转移(CMT)-电弧增材制造(WAAM)已被广泛用于生产大型镁合金部件。然而,CMT-WAAM 工艺固有的热循环和热输入会对稀土(RE)镁合金的微观结构和性能产生不利影响。目前,还缺乏有效、低成本且易于实施的方法来缓解这些问题。


重庆大学、北京科技大学、德克萨斯大学联合在工程技术领域顶刊Thin-Walled Structures上发表了题为 "Optimizing microstructure and strength of CMT-wire arc additive manufactured WE43 Mg alloy through a novel active cooling technique" 的研究成果。在这项研究中,提出了一种主动冷却技术(ACT),包括基底冷却和旁路冷却。ACT通过在基板和旁路板中不间断的水流实现CMT-WAAMed WE43组件的原位冷却,具有成本效益高、安全性高和实施方便的优点。

图片


02

论文图片


图片


图 1. WAAM 工艺示意图:(a)CMT-WAAM 设备;(b-c)薄壁元件尺寸和沉积策略



图片


图 2. 实验材料和方法:(a)AC/WC 组件的沉积条件;(b)ACT 装置;(c)取样几何形状;(d-e)取样位置和组件形态



图片


图 3. WC 和 AC 组件的扫描电镜结果:(a-b) AC 组件的微观结构;(c) (b) 的 SEM-EDS 分析;(d-e) WC 组件的微观结构;(f) (e) 的 SEM-EDS 分析



图片


图4. WC和AC组件中三个相的能谱分析结果:(a) 共晶相的SEM图像;(b) 对点1进行SEM-能谱分析;(c) 图a中Mg、Gd、Y和Gd以及Nd的SEM-能谱映射;(d) 颗粒相的SEM图像;(e) 对点2进行SEM-能谱分析;(f) 图d中Mg、Gd、Zr和Nd的SEM-能谱映射;(g) 絮状相的SEM图像;(h) 对点3进行SEM-能谱分析;(i) 图i中Mg、Zr、Y和O的SEM-能谱映射



图片


图 5. AC 和 WC 组件第二相的体积分数:(a-c)AC 组件底部、中部和顶部区域的SEM图像;(d-f)WC 组件底部、中部和顶部区域的SEM图像;(g)AC/WC 组件中颗粒相的体积分数;(h)AC/WC 组件中颗粒相的体积分数



图片


图 6. AC 和 WC组件的 EBSD 分析:(a) AC 组件在整层中的晶粒取向;(b) AC 组件在整层中的晶粒尺寸分布图;(c) WC 组件在整层中的晶粒取向;(d) WC 组件的晶粒尺寸分布图;(e) WC 和 AC 组件的平均晶粒尺寸;(f) AC/WC 组件的极点图



图片


图 7. AC 组件(a)顶部、(b)中部和(c)底部区域的层内 EBSD 图像;(d)WC 组件顶部、(e)中部和(f)底部区域的层内 EBSD 图像;(g)AC 组件中晶粒尺寸的频率分布;(h)AC 组件中晶粒尺寸的频率分布



图片


图8. AC和WC组件层内的TEM分析:(a-b) 沿[11-0]方向拍摄的TEM图像;(c) WC组件中的β1相和 (d) β相;(e-g) 沿[11-0]方向拍摄的AC组件层内的TEM图像;(h) (g)的EDS图像



图片


图 9. WC/AC 组件夹层的 TEM 分析:(a-b)AC组件夹层的 TEM 图像;(c-d)WC 组件夹层的 TEM 图像;(d-e)WC/AC 组件夹层中的 Y2O3



图片


图10. AC和WC组件的性能



图片


图 11. 用扫描电镜观察拉伸样品纵切面上的断口形态和拉伸断口形态:(a-f)AC 组件;(g-i)WC 组件



图片


图12. 沉积过程中通过热电偶测量的两个组件的温度变化:(a) 组件底部;(b) 组件中部;(c) 在相同的层间等待时间条件下两个组件的层间温度;(d) 在第12层沉积路径中热电偶测量的温度变化



图片


图 13. CMT-WAAM 过程中,AC/WC 组件的微观结构随层沉积而演变的示意图


03

关键结论

在这项研究中,提出了一种包含基底冷却和旁路冷却的主动冷却技术(ACT)。对采用CMT-WAAM工艺有无辅助ACT装置制备的WE43薄壁组件的微观结构和性能进行了比较研究。以下是主要结论:


(1)ACT提高了金属的冷却速率,减少了组件上的热积累,并降低了热循环中的峰值温度。基底冷却和旁路冷却对冷却效果都有显著贡献。


(2)ACT带来的更高冷却速率减少了硬而脆的共晶相的体积分数,与AC组件相比,WC组件的平均晶粒尺寸更小。WC组件中熔池温度较低降低了Zr的溶解度。因此,WC组件中Zr颗粒相的体积分数多于AC组件。同时,ACT使WC组件的微观结构更加均匀。


(3)WC组件中沉淀的相主要是β1相,由于AC组件中的原位时效,转变为β相。AC和WC组件的层间与层内相比,热影响较小,因此只在层间区域发现了少量的β'相。


(4)WC组件在DD方向上的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别为263±2 MPa、182±4 MPa和9.5 ± 1%,而在BD方向上分别为267±4 MPa、180±6 MPa和11.2 ± 1%。与AC组件相比,WC组件的抗拉强度、屈服强度和延伸率分别提高了11.7%、5.8%和72.3%。抗拉强度的提高主要与更小的晶粒和更细小的β1相有关,而塑性的提高主要是由于硬而脆的共晶相体积分数的减少。


04

通讯作者

李坤,男,博士,重庆大学机械与运载工程学院“弘深青年学者”特聘专家,博士生导师,海外引进人才;高性能智能增材制造实验室(HπAM)主任,金属增材制造(3D打印)重庆市重点实验室常务副主任,重庆大学绿色智能制造研究所副所长。2011年获吉林大学材料科学与工程学科工学学士学位;2016年获清华大学机械工程学科工学博士学位;2017年2月赴美国德州大学埃尔帕索分校从事博士后研究工作,并担任Lawrence E. Murr(美国增材制造先驱)和R.D.K. Misra课题组博士生联合指导老师;2019年4月任美国匹兹堡大学机械工程及材料科学系高级研究员教职;2020年8月被聘为重庆大学教授、博士生导师,从事教学科研工作。主要从事3D打印及增材制造、高性能材料及智能加工等研究。先后主持国家自然基金及联合基金、国家重点研发计划、全国重点实验室青年人才项目、美国能源部国际合作项目等多项课题。在AM、Small、JMST、JMPT、MSEA、MD等领域著名期刊和会议上发表论文80余篇。担任机械工程学会极端制造委员会/增材制造委员会委员、有色金属学会增材制造技术专业委员会委员,国家重点研发计划会评专家。工作期间开发了多种镍基合金,稀土镁合金、超高强钢激光增材及3D打印工艺及在线检测技术,用于高端装备关键组件制造及修复。科研成果荣获美国休斯敦航天局技术应用奖(年度唯一华人青年学者)、美国德州大学年度研究员奖等。任Acta Materialia、IJMTM、Materials Research Letters、International Journal of Plasticity等领域著名期刊评审人。



科普
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-01-11
最近编辑:1月前
增材制造博硕联盟
硕士 聚焦增材制造科研与工程应用,致...
获赞 125粉丝 73文章 538课程 0
点赞
收藏
作者推荐

清华大学林峰教授顶刊丨电子束粉末床熔融增材制造研究综述及其在中国的发展

研究现状:随着增材制造30年间的发展,中国已经成为增材制造设备、应用和出口的主要参与者之一。电子束粉末床熔融 (EB-PBF) 以其低应力和高效率而著称。自 2004 年清华大学开始 EB-PBF 研究以来,中国实现了 EB-PBF 设备的商业化,同时也在模拟仿真、电子束与粉末相互作用和难加工材料成形等方面进行了探索。这篇文章综述30多年来国内外在 EB-PBF 技术上的研发进展,介绍了新技术并对未来的发展提出了见解。 研究难点或瓶颈:在过去三十年里,EB-PBF增材制造已经成为金属材料加工成形的重要手段之一,尽管该技术取得了显著进展,但其仍然面临下列挑战:在提高成形精度、扩大成形尺寸、提升表面质量和提高加工稳定性上还需要投入更多研究。 展望(发展趋势):近年来,EB-PBF产业在科研和商业应用方面得到了快速发展。然而,该技术仍然具有进一步发展和改进的潜力。进一步研究的关键领域如下: (1)通过多枪阵列扫描,提高EB-PBF成形尺寸与效率,同时提高可扩展性; (2)提高电子枪的加速电压,提高束斑精度,延长电子枪寿命; (3)通过引入人工智能和大数据等技术提高EB-PBF设备的集成化与智能化,降低 制造成本; (4)利用仿真预测模型,将仿真结果与零件性能进行联系,加速材料与工艺开发; (5)开发用于EB-PBF专用的粉末,并建立粉末复用次数的标准以保证成形质量; (6)通过更多的理论研究,更深入地理解增材制造零件微观结构和性能之间的关系 (7)探究金属增减材混合制造的方法,提高成形精度和效率。 图1 电子束粉末床熔融增材制造技术发展时间线图2 电子束粉末床熔融增材制造设备总览图3 清华大学在电子束粉末床熔融增材制造技术研究的里程碑 林峰(通讯作者),清华大学机械工程系长聘教授,AMF期刊副主编。研究方向为增材制造、生物三维打印、重型液压机、预应力钢丝缠绕技术等。自1990年代初开始从事快速原型技术的研究,在增材制造(3D打印)技术与装备研发领域积累了较丰富的经验及成果。近年来,在电子束粉末床熔融增材制造的装备开发、多尺度计算模拟、电子束-激光复合增材制造技术、镍基高温合金单晶增材制造制备、液浮粉末床等方面,做出了多项开创性的研究工作。已在国内外学术期刊及会议上发表论文260多篇,总引用超过6000次(来自Google Scholar数据)。 来源:增材制造硕博联盟

未登录
还没有评论
课程
培训
服务
行家
VIP会员 学习计划 福利任务
下载APP
联系我们
帮助与反馈