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研究通过表面氧化调控增材制造金属材料的力学性能与沉积效率

发布时间:2024年06月24日  ‖  文章供稿:毕贵军
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氧化是定向能量沉积(Directed Energy Deposition, DED)增材制造过程的常见问题。通常,过度氧化被认为是对材料性能有害的。然而,近期科研人员发现,适度的氧化却可以在保证较高的材料力学性能下,大幅度提高增材制造过程中材料的沉积效率。

针对激光辅助增材制造过程中的氧化行为及其对材料沉积效率、性能等的影响,广东省科学院智能制造研究所毕贵军团队联合新加坡南洋理工大学、澳大利亚斯威本科技大学、上海航空装备制造总厂有限公司以及华南理工大学进行了深入研究。研究人员分别在惰性气体箱可控惰性气体氛围和仅利用送粉喷嘴的局部惰性气体保护氛围中打印了316L不锈钢,发现,局部惰性气体保护氛围下沉积过程中主要会生成Cr/Si/Mn的氧化物,并且氧化物会聚集、漂浮、覆盖在熔池表面,最终形成一层约50微米厚的表面氧化层,因此材料表面氧含量高达2811 ppm,而材料内部的氧含量只有804 ppm,远低于表面;在可控惰性气体氛围中打印的材料则表面(229 ppm)和内部(220 ppm)均保持了较低的氧含量。

进一步研究发现,表面氧化层的存在可以大大降低沉积材料的表面激光反射率(14.5%),从而提高能量利用率,导致沉积过程中更高的熔池温度(2300-2400 ℃),更多的材料熔化和更大的熔池体积,最终获得了更高的沉积效率(3.13g/min)和材料利用率(78.3%)。而较低的表面氧含量则带来了较高的表面激光反射率(71%),从而大大降低了激光能量利用率,导致较低的熔池温度(1700-1800℃),最终使得沉积效率(2g/min)和材料利用率(50%)均大大降低。从性能上看,可控惰性气体氛围中打印的316L获得了完美的强度、韧性结合(YS 560 MPa, UTS 717 MPa, Elongation 64%),而在局部惰性气体保护氛围中打印的316L由于晶粒长大、氧化物聚集等原因,性能(YS 456 MPa, 631MPa, Elongation 57%)虽有所降低,却仍远高于ASTM A240/240M标准中规定的性能(YS 170 MPa, UTS 485 MPa, elongation 40 %)。该研究揭示了增材制造金属材料表面氧化过程的机理,确定了其对材料性能与沉积效率的影响规律,为合理利用表面氧化调控材料性能与沉积效率奠定了理论基础。

相关研究成果发表在国际期刊Journal of Manufacturing Processes(中科院工程技术一区top期刊)上,张理为第一作者,毕贵军、陈小奇、周伟为通讯作者。该研究获得了广东省科学院发展专项资金项目资助。

论文信息:Li Zhang, Wengang Zhai, Kai Zhao, Guijun Bi, Xiaoqi Chen, Wei Zhou, Oxidation behavior and resultant deposition efficiency and material properties of laser aided additively manufactured stainless steel 316 L, Journal of Manufacturing Processes, Volume 115, 2024, Pages 352-364, ISSN 1526-6125, https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2024.02.032

▲图1 激光辅助增材制造不锈钢316L实验装置:(a)局部氩气保护,(b) 氩气箱可控氩气保护

图2 激光辅助增材制造不锈钢316L样品的表面及横截面:(a)(c)局部氩气保护,

(b)(d) 氩气体箱可控氩气保护

图3 激光辅助增材制造不锈钢316L的BSE图像:(a)局部氩气保护,(b)氩气箱可控氩气保护,(c)沉积态不锈钢 316L中氧化物的尺寸分布。

图4 激光辅助增材制造不锈钢316L激光反射与材料表面氧化过程:(a)局部氩气保护,(b)氩气箱可控氩气保护

图5 激光辅助增材制造不锈钢316L的EBSD结果:(a)(c)晶界走向图,(b)(d)晶界图,(e) (f)晶粒大小分布,(a)(b)(e)局部氩气保护,(c)(d)(f)氩气箱可控氩气保护

图6 激光辅助增材制造不锈钢316L力学性能

先进激光增材制造技术创新团队

2024年6月16日

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