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【6h】

等离子旋转电极雾化法制备球形金属粉末的工艺及性能研究

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目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 增材制造技术概述

1.2.1 简介

1.2.2 金属增材制造技术的分类及应用

1.2.3 电子束选区熔化成形技术

1.3 航空航天领域常用金属材料

1.3.1 高强不锈钢

1.3.2 钛合金

1.3.3 镍基高温合金

1.4 金属粉末制备技术

1.4.1 水雾化法

1.4.2 气雾化法

1.4.3 等离子雾化法

1.4.4 等离子旋转电极雾化法

1.4.5 氢化脱氢法

1.5 等离子旋转电极雾化法的发展现状

1.6 本课题的研究目的及内容

2 试验方法

2.1 试验方案

2.2 试验原料

2.3 试验设备

2.3.1 等离子旋转电极雾化法制粉设备

2.3.2 电子束选区熔化成形设备

2.4 样品性能表征方法

2.4.1 粉末筛分及粒度统计

2.4.2 粉末物理性能测试

2.4.3 粉末氧含量的测定

2.4.4 显微组织观察

2.4.5 物相分析

2.4.6 相对密度测试

2.4.7 维氏硬度测试

3 PREP法制备球形金属粉末的工艺研究

3.1 粉末形成过程

3.2 液滴破碎机理

3.3 PREP工艺参数对高强不锈钢粉末粒度的影响

3.3.1 电极棒转速对粉末粒度的影响

3.3.2 电流强度对粉末粒度的影响

3.3.3 进给速率对粉末粒度的影响

3.4 PREP工艺参数对Ti-6Al-4V粉末粒度的影响

3.4.1 电极棒转速对粉末粒度的影响

3.4.2 电流强度对粉末粒度的影响

3.4.3 进给速率对粉末粒度的影响

3.5PREP工艺参数对Inconel 718粉末粒度的影响

3.5.1 电极棒转速对粉末粒度的影响

3.5.2 电流强度对粉末粒度的影响

3.5.3 进给速率对粉末粒度的影响

3.6 展望

3.7 本章小结

4 PREP法制备的粉末的显微组织及性能分析

4.1 高强不锈钢粉末的显微组织及性能分析

4.1.1 物理性能

4.1.2 显微组织分析

4.1.3 物相分析

4.1.4 显微硬度分析

4.2 Ti-6Al-4V粉末的显微组织和性能分析

4.2.1 物理性能

4.2.2 显微组织分析

4.2.3 物相分析

4.2.4 显微硬度分析

4.3Inconel 718粉末的显微组织及性能分析

4.3.1 物理性能

4.3.2 显微组织分析

4.3.3 物相分析

4.3.4 显微硬度分析

4.4 本章小结

5 SEBM成形Ti-6Al-4V合金的显微组织及性能分析

5.1 Ti-6Al-4V成形件的相对密度

5.2 显微组织分析

5.3 物相分析

5.4 显微硬度分析

5.5 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

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摘要

电子束选区熔化成形技术(Selective electron beam melting,SEBM)具有能量利用率高、扫描速度快及真空环境无污染等优点,为成形高强不锈钢、钛合金及镍基高温合金等航空航天用金属材料提供了可能。球形金属粉末是SEBM技术应用的关键。其中,等离子旋转电极雾化法(Plasma rotating electrode process,PREP)制备的金属粉末表面光滑、球形度好,且很少出现卫星粉及空心粉等,基本满足SEBM技术对金属粉末的要求,但其粒度较粗,且不同粒度粉末的性能存在差异。因此,需要系统研究PREP制粉工艺、粉末性能及其对成形样品性能的影响规律。 本文使用PREP法分别制备了高强不锈钢、Ti-6Al-4V及Inconel718三种球形金属粉末,通过控制电极棒转速、电流强度及进给速率等参数,结合粉末形成过程及液滴破碎机理确定了最佳的制粉工艺;采用SEM、XRD及维氏硬度计等检测手段及分析方法对粉末性能进行了表征;以制备的-100目(<150μm)Ti-6Al-4V粉末为原料,采用SEBM技术成形Ti-6Al-4V合金,分析了其性能及微观组织的变化规律。得到的主要结论如下: (1)电极棒转速影响粉末的平均粒度(D50),随着转速的不断增大,D50减小;当材料不同而电极棒转速相同时,D50与σ/ρTm的值有关,σ/ρTm越小,D50越小。电流强度及进给速率主要影响粉末粒度的分布范围,随着电流强度或进给速率的减小,粒度分布变窄,D50变化不大。 (2)三种材料粉末的最佳制备工艺分别为:高强不锈钢粉末:电极棒转速为18000r/min,电流强度为1700A,进给速率为0.8mm/s;Ti-6A1-4V粉末:电极棒转速:18000r/min,电流强度:l750A,进给速率:1.0mms;Inconel718粉末:电极棒转速为18000r/min,电流强度为1500A,进给速率为0.8mm/s。 (3)随着粉末粒度的减小,粉末流动性值先增大后减小,松装密度和振实密度减小,氧含量增高;当粒度范围相同时,不同材料的流动性值、松装密度及振实密度与材料的理论密度有关;粉末粒度影响粉末表面形貌、横截面组织、相组成及显微硬度等,粉末粒度越小,其晶粒越细小,硬度越高。 (4)采用SEBM技术制备Ti-6Al-4V合金(粉末粒度为-100目)的相对密度高达99.62%,且维氏硬度值为348.27HV,高于传统方法制备的Ti-6Al-4V合金。

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