Nb521合金电子束选区熔化及组织结构与力学性能

论文摘要

Nb521合金作为新一代的高温难熔Nb合金,具有高温力学性能优异、高熔点、低密度及可塑性好等优势,在航空航天领域占据重要地位。然而,随着人们对高温难熔材料复杂构件需求的增大,加之Nb521合金熔点高且高温易氧化,其制备成为制约发展的主要问题。而电子束选区熔化增材制造技术（EBSM）因拥有粉末成材的特性及高能量电子束与真空无污染的环境能同时解决上述问题。目前,关于Nb521合金的EBSM相关研究较少,仍有许多科学问题和技术问题有待研究,故本文采用EBSM方法制备Nb521合金,并进行深入研究。本文前期对EBSM工艺所需的Nb521合金粉末的微观形貌、组织特征及硬度进行系统研究,并采用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对不同尺寸粉末制备过程温度场进行模拟,阐明冷却速度与凝固组织变化规律。通过ABAQUS有限元软件对Nb521合金EBSM过程热历史变化进行温度场模拟,同时对Nb521打印成形件的形貌和微观结构特征以及力学性能进行研究,结合模拟结果阐明打印过程成形机理。采用等离子体雾化制粉设备制备Nb521合金粉末。借助X射线衍射仪（XRD）、金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）以及纳米压痕对粉末组织形貌、微观结构及硬度进行研究。结果表明,Nb521合金粉末球形度较高,其粒径分布符合标准正态分布,中值粒径为75μm,总体尺度处于微米尺度。由XRD结果显示,Nb521合金粉末中只存在Nb衍射峰。通过冷却速度计算与模拟计算结果的比较,得出气雾化Nb521合金粉末的平均冷却速度为105106K/s。通过SEM及纳米压痕结果表明,Nb521合金粉末的粒径越小,形成过程的冷却速度越快,组织越精细,硬度越高,到达一定程度,其凝固组织会成为完全平面晶。采用ABAQUS CAE有限元模拟手段研究打印过程不同层面热历史情况,发现受基板预热影响,首层温度最高,熔池最大。除最表层外每一打印层均受热循环影响,从而揭示打印过程热量传递原理。不考虑热循环效应,首层冷却速度最快,对于整体打印过程最表层冷却速度最快。采用EBSM工艺制备了Nb521合金成形件,并结合模拟结果对其沿打印方向各层面（S1S6）组织、析出相、微观结构形貌及力学性能（包括拉伸强度及纳米硬度）进行系统研究。Nb521合金成形件组织中存在条状与点状Nb2C析出相与点状（Nb,Zr）C析出相,（Nb,Zr）C相为冷却过程中由Nb2C相演变成。S1S6层晶粒尺寸受打印过程热历史影响呈现先升高后降低。纳米压痕结果显示S1S6层Nb521合金成形件硬度值先降低后升高,位于4-4.3GPa,均高于铸态硬度值。拉伸测试结果表明Nb521合金成形件沿打印方向拉伸强度先降低后升高,约550-650MPa,均高于一般铸态水平。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 Nb合金的分类与发展
•   1.3 Nb-W系合金的制备方法
•     1.3.1 真空非自耗电弧熔炼
•     1.3.2 化学气相沉积（CVD）技术
•     1.3.3 粉末冶金技术
•   1.4 电子束选区熔化增材制造技术特点及优势
•   1.5 电子束选区熔化增材制造的研究发展现状
•     1.5.1 电子束选区熔化工艺研究进展
•     1.5.2 电子束选区熔化技术对于成形材料、组织与性能的研究现状
•   1.6 论文的主要研究内容
• 第2章 样品制备及研究方法
•   2.1 样品制备
•     2.1.1 原料选用
•     2.1.2 Nb521 合金EBSM增材制造
•   2.2 测试与分析方法
•     2.2.1 X射线衍射分析
•     2.2.2 光学显微分析
•     2.2.3 合金密度测试
•     2.2.4 比热容和热导率测试
•     2.2.5 硬度测试
•     2.2.6 扫描电子显微镜分析
•     2.2.7 透射电子显微镜分析
•     2.2.8 拉伸力学性能测试分析
•     2.2.9 纳米压痕测试分析
• 第3章 Nb521 合金粉末结构及性能研究
•   3.1 引言
•   3.2 Nb521 合金粉末的基础性能检测
•     3.2.1 Nb521 合金粉末
•     3.2.2 Nb521 合金粉末粒度分布
•   3.3 Nb521 合金粉末的冷却速度计算
•   3.4 Nb521 合金粉末气雾化过程数值模拟
•   3.5 Nb521 合金粉末的凝固组织及相组成
•     3.5.1 OM结果分析
•     3.5.2 SEM结果分析
•     3.5.3 XRD结果分析
•   3.6 不同尺寸Nb521 粉末颗粒的纳米硬度
•   3.7 本章小结
• 第4章 EBSM制备Nb521 合金的组织及性能分析
•   4.1 引言
•   4.2 温度场模拟
•     4.2.1 温度场模型的建立
•     4.2.2 网格划分与热源模型
•     4.2.3 初始条件和边界条件
•     4.2.4 热物性参数
•     4.2.5 温度场模拟结果
•   4.3 Nb521 合金EBSM成形件微观结构
•     4.3.1 Nb521 合金成形件切割方式
•     4.3.2 Nb521 合金EBSM试样显微组织表征
•   4.4 Nb521 合金析出相成分分析
•     4.4.1 XRD结果分析
•     4.4.2 TEM结果分析
•     4.4.3 析出相形成机理分析
•   4.5 Nb521 合金力学性能测试分析
•     4.5.1 拉伸性能测试分析
•     4.5.2 维氏硬度分析
•     4.5.3 Nb521 合金纳米压痕测试分析
•   4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘宝鹍

导师: 黄永江

关键词: 合金,组织特征,力学性能,温度场

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,金属学及金属工艺,工业通用技术及设备,航空航天科学与工程

单位: 哈尔滨工业大学

基金: 国家重点研发计划(项目号:2018YFB1105200)

分类号: TB115;V252;TG174.4

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.002985

总页数: 80

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