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南航顾冬冬丨TiC/Inconel 718复合材料激光3D打印的热行为和熔化/凝固机制

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激光加工参数对TiC/Inconel 718复合材料选区激光熔化过程中热行为和熔化/凝固机制的影响

                     
篇将介绍南京航空航天大学顾冬冬教授团队光学领域国际期刊 Optical & Laser Technology (Impact Factor: 4.939) 上发表的论文 “Effects of laser processing parameters on thermal behavior and melting /solidification mechanism during selective laser melting of TiC /Inconel 718 composites” (中文:激光加工参数对TiC /Inconel 718 复合材料选区激光熔化过程中热行为和熔化/凝固机制的影响)。
镍基高温合金能够在600 °C环境下保持良好的抗氧化能力、耐腐蚀性和疲劳抗力,被广泛应用于航空航天等工业领域,如燃气轮机的涡轮盘、涡轮叶片、高压压气机盘和燃烧室等。纳米颗粒(如TiC, WC等)增强镍基高温合金复合材料借助于基体相和增强相的互补可实现单一材料无法达到的高性能,有效扩展了镍基高温合金的使用范围。但传统工艺加工颗粒增强金属基复合材料无法根本避免制件晶粒粗化和缩孔缩松等缺陷;且颗粒增强相与基体相之间较差的润湿性会降低两者之间的接触强度,从而影响制件整体性能。

                     

选区激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)作为增材制造的重要分支,可用于直接成形复杂结构零件,实现零件的(近)净成形。SLM成形过程中,高能激光束与粉层交互作用,最大冷却速率可达106-7°C/s,这有利于制件获得微细、均匀的显微组织;通过激光参数调控可实现熔池内部液相充分铺展及基体/颗粒界面处合理的温度-应力分布,以提高基体/颗粒两相结合强度。然而由于激光热源的快速移动,形成的熔池存在时间极短,冷却速率极快,但通过实验方法观测和记录瞬态温度场极为困难,难以准确描述SLM过程中复杂的物理冶金现象。而通过数值模拟方法研究上述问题是目前解决该难题的重要途径之一。


论文建立了TiC/Inconel 718复合材料体系选区激光熔化SLM三维有限元模型,研究了SLM成形TiC/Inconel 718复合材料过程中的熔池热行为及其熔凝机制


结果表明:SLM过程中存在明显的热累积效应;当激光功率从75 W增至150 W时,熔池内最大温度梯度由1.30 × 104 °C /mm增至2.60 × 104 °C/mm,而温度梯度对于扫描速率的变化并不敏感;最大温度变化率与激光参数(激光功率、扫描速度)呈正对应关系;采用较低激光功率(75 W)或较高扫描速率(300 mm/s),熔池Z方向能量利用率高,易形成窄且深的熔池截面;在较高功率(150 W)或较低扫描速度(50 mm/s) 下,Y方向能量利用率较高,形成的熔池截面较浅且宽;当激光功率为125 W,扫描速度为100 mm/s时,制备获得了无孔隙、裂纹且冶金结合良好的SLM制件(熔池尺寸:宽109.3 μm,长120.7 μm,深67.8 μm)。基于选区激光熔化实验有效验证了模拟结果的准确性。



论文创新点                      
1.建立了适用于选区激光熔化SLM成形金属基复合粉末体系热物理机制研究的三维有限元模型;
2.阐明了激光工艺参数及SLM过程层间冷却时间与熔池热行为及内部熔凝机制的映射关系;
3.揭示了熔池截面形貌(宽浅型熔池截面、窄深型熔池截面)形成机制及其对SLM成形质量的影响规律。
丨引用格式        
       

Qimin Shi, Dongdong Gu*, Mujian Xia, Sainan Cao, Ting Rong. Effects of laser processing parameters on thermal behavior and melting/ solidification mechanism during selective laser melting of TiC/Inconel 718 composites. Optics & Laser Technology, 2016, 84: 9-22.

丨相关项目资助

国家自然科学基金优秀青年科学基金项目(编号:51322509)、面上项目(编号:51575267)、国家“万人计划”青年拔尖人才支持计划项目、江苏省杰出青年基金(编号:BK20130035)、航空科学基金(编号:2015ZE52051)

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https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2016.04.009

来源:增材制造硕博联盟
OpticalSLM疲劳复合材料燃烧光学航空航天冶金增材裂纹材料
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首次发布时间:2023-03-19
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