选区激光熔化成形Ti基纳米复合材料的工艺、组织及性能

摘要

选区激光熔化（SelectiveLaserMelting，SLM）作为一种新型的快速成形（RapidPrototyping，RP）技术，能利用高能激光束有选择地熔化凝固松散粉末薄层，逐层快速制造出具有复杂形状的三维零件，而不需要后续处理。本文以Ti、Ti-TiC、Ti-SiC粉末体系为原始材料，利用SLM工艺成功制备了纯Ti、TiC/Ti、TiC/Ti5Si3块体材料。研究了激光工艺参数对成形块体材料物相、成分、表面形貌及显微组织的影响，分析了不同激光参数下成形试样致密度、硬度、磨损性能及电化学性能，并探讨了激光成形材料磨损及腐蚀机理。论文获得的主要结论如下：
　　采用SLM工艺成形纯Ti粉末制备块体试样时，在激光能量输入过高或过低时，分别导致微裂纹及球化效应冶金缺陷，降低成形材料致密度。随激光扫描速率υ增大（≥200mm/s），成形件在冷却过程中发生马氏体相变，且马氏体α?组织逐渐细化。在优化激光工艺下获取的高致密度及细化的α?相有效地提高了成形纯Ti试样的力学性能。
　　利用SLM工艺成形的TiC/Ti纳米复合块体材料中，TiC增强相具有独特的层片状纳米结构，明显不同于初始颗粒形貌。随激光扫描速率υ逐渐增大，TiC增强相组织逐渐细化。纳米TiC增强相的形成，有效提高了基体材料的显微硬度和耐磨性。而若υ过大（≥400mm/s），激光成形致密度降低，成形材料的耐腐蚀性能下降。在优化的激光工艺参数下，TiC含量对激光成形材料的组织及性能亦有重要影响。随TiC含量增加，激光成形组织中TiC增强相晶粒粗化，材料致密度、磨损性能及耐腐蚀性能下降。
　　在利用SLM工艺加工SiC-Ti粉末体系制备原位TiC/Ti5Si3复合材料试样时，发现激光能量输入不足或过高时，分别引起微小孔隙和裂纹的形成，均降低成形材料的致密度。原位TiC增强相呈现典型的枝晶形貌，且随扫描速率υ合理降低，枝晶组织逐渐细化。然而当υ过低时（100mm/s），激光熔池存在时间较长，使得TiC枝晶充分生长，形成相对粗大的枝晶，将降低成形材料致密度、磨损性能及耐腐蚀性能。

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图表清单

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 RP工艺的分类和冶金机制

1.3 RP所用材料的分类和成形机制

1.4 金属基复合材料（Metal Matrix Composites，MMCs）

1.5 本课题研究内容

第二章 实验材料、过程及分析方法

2.1 实验原材料

2.2 粉末制备

2.3 激光快速成形过程

2.4试样的表征与分析

第三章 SLM制备纯Ti块体的成形工艺及性能的研究

3.1 实验过程

3.2 实验结果与分析

3.3 本章小结

第四章 SLM制备块体TiC/Ti复合材料成形工艺及性能的研究

4.1 实验过程

4.2 实验结果分析

4.3 本章小结

第五章 TiC含量对Ti基复合材料组织及性能的影响

5.1 实验过程

5.2 实验结果与分析

5.3 本章小结

第六章 SLM制备TiC/Ti5Si3复合材料试件组织及性能的研究

6.1 实验过程

6.2 实验结果与分析

6.3 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表或已完成的学术论文