硕士开题答辩-张洪磊.ppt

指导教师：刘锦辉,铝合金粉末激光溶化成形的基础研究,班级：研12-4班 学生：张洪磊 学号：2012200314,1. 项目的目的和意义 进入二十一世纪，随着航天航空技术的快速发展，我国已经步入了一个航天强国的行列，部分航天科技技术已经领先于其他发达国家，但是相对一些航天科技精密零件制造技术来说与发达国家相比还是有一定的差距，特别是如何减轻零件的重量、提高零件的精度、强度、韧性等方面我国还存在较大的差距25。针对这一问题，我国在把握前沿，追求先进制造技术的步伐中紧跟时代，付出了很大的努力，但同时也取得了一定的成绩。特别是当下我国的先进制造技术有了很大的突破性进展，尤其是先进制造技术设备的研制成功更有利的推动了先进制造技术的快速发展，更有利的推动了各个高校和科研院所在先进技术方面的基础研究，也为我国的先进制造技术的发展驻足了新的创新活力。但是我国在制造航空航天精密零件过程中还存在不少缺陷，比如：如何提高精度、减轻零件质量、增强零件的硬度和韧性。针对这一缺陷在刘锦辉导师的指导下，在研究生阶段做关于以铝为主要原料，同时加入适度纯铜材料所做的粉末激光溶化成形基础研究，铝铜合金在是一种非常常见的变形铝合金，也是铝合金材料当中的一种强化热处理的合金。,一、立题依据,本课题所做的关于粉末激光溶化成形技术与传统加工方法相比有很大的不同，其中，一方面可以制造精度较高、质量较轻、曲面复杂多变的航空航天零部件；另一方面可以在周期较短的时间内快速加工出符合设备的精密零件，同时加工出的复杂零件能够很好的满足航空航天所要求的强度和韧性。 本研究方法可以更好地了解材料的性能以及合金材料的合金相奠定一定的基础。更好地为加工实际航空航天零部件提供理论依据。在现代工业发展快速发展，对轻型高强度合金提出了更高的要求，因此，在使零件不失韧性的前提下，如何提高零件的强度和硬度，探索出更加适合有利于提高零件强度、韧性的合金材料。 在一些发达国家已经开始把铝合金材料的零件应用到汽车、航天领域，取得的显著地成效，这样一来就可以使铝合金零部件在精度达到要求的前提下，可以还好的减轻汽车的重量、提高发动机性能，同时为节约能源、保护环境做出拥有的贡献。,2.国内外研究概况、水平和发展趋势 国内：在现在科学技术突飞猛进的时代，由于利用铝合金粉末材料加工的零件具有高的强度、韧性收到了各个国家制造行业的青睐16。因此，铝合金材料已经成为各个国家争先研究的课题，但是中国的先进制造技术还是处在起步状态，在合金材料研制方面与发达国家相比还是有一定的差距。拿国内来说，现在研究的铝合金材料特别是“铝-铜”合金粉末方面的课题相对比较少，部分主要集中于研究不同材料的合成以及合成以后的组织和性能的研究，没有根本对铝合金不同材料、不同成分的合成量来研究如何提高试样件的强度、韧性、精度，减轻重量等性能，以及在加工过程中如何避免零件翘曲、氧化、球化的产生等各种问题。 发展趋势：二十一世纪，随着我国航空航天领域技术的快速发展，先进制造技术已经向世人展示了它的优越性，特别是能够在较短的周期内加工出具有精度高、曲面复杂、硬度高的航空航天零部件。研制先进的航空发动机以及如何减轻飞机重量一直是我国的一个弱项，不是说我们没有能力研制，而是我国的制造设备根本没有能力研制出较高精密、低重量、体积小的航空零部件。因此，这就对我国合金材料的选择提出了更高的要求，通过本课题对铝合金材料的研究可以为制造航空零部件提供材料选择参考，以便能找到减轻零件质量的优质材料提高精度、增强韧性、减小重量、缩小体积。当下国家已经把大力发展先进制造技术纳入到“十二五”规划，正努力把先进制造技术提高到更高的层次上，加大对先进制造技术领域的投入力度，以先进制造带动传统制造，提高环境质量，优化零件性能是不可估量的。,国外：我国在铝合金粉末研究方面与发达国家相比还比较落后，就铝合金粉末材料的研究方面来说，国外起步比较早比如：德国、美国等国家10。他们所研究的是关于铸铝合金粉末激光熔化成形技术如：铝合金的SLM成形过程中氧化膜的产生机理及工艺的影响规律和影响结果进行了研究，以及“铝-硅、铝-硅-镁”等粉末材料的合成，然后对其微观组织和性能进行检测和研究，特别是在加工过程中，上述铝合金粉末在温度变化、对其硬度、韧性的影响。最后对其试验件进行热处理，观察热处理以后试验件的强度、硬度、韧性变化情况。 发展趋势：随着现代航空航天领域技术的快速发展，各个国家都争先恐后的往创新国家的行列里迈进，必然会引导国家战略顶层再次审视先进制造技术在国家发展中的重要作用，由于先进制造技术能够给飞机、火箭等航空航天器的零件加工带来优越的性能，因此各个国家必将把合金粉末材料作为复杂零件加工的首选，因为合金粉末材料具有优越的组织性能和抗拉强度和一定的韧性，如：铝合金粉末材料，“铝-铜、铝-硅、铝-硅-镁、铬-镍”等,其目的就是减轻航空航天器的重量、提高航天器的性能，提高零件精度、强度，这些方面也是国外一直发展的方向14。,3.已具备的研究条件，尚缺少的研究条件和拟解决的途径 已具备的研究条件：项目组于2003年开始SLM技术及装备的研究与开发，并于2005年参与完成了国内商品化的SLM装备（图3a）。,图3 项目组自主研制的商品化SLM装备（a）及成形的高质量金属零件（b）,光纤激光选择性激光熔化成形系统,尚缺少的研究（实验）条件：目前，对于试样件微观组织的观测缺少相关的检测、热处理等设备。 拟解决的途径：通过与中南大学粉末冶金国家重点实验室以及本学校其他学院的合作及在研项目，可共享ICP、碳硫分析仪、氧分析仪、纳米粒度及ZETA电位分析仪、自动比表面分析仪、激光粒度分析仪、热膨胀仪、透射电镜、场发射扫描电镜、扫描电镜、金相显微镜、原子力显微镜、X射线衍射仪、液压伺服动态试验系统、硬度计、热导率分析仪、力学性能实验机等设备，为本课题的研究圆满完成提供了硬件保障。,主要参考文献,1 Edson Costa Santos, Masanari Shiomi, Kozo Osakada, Tahar Laoui. Rapid manufacturing of metal componentsbylaserforming.International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2006, 46:1459-1468. 2 左铁钏 等.高强铝合金的激光加工，国防工业出版社，北京2002. 3 Buchblinder,D. , Schleifenbaum,H. , et al. High Power Selective Laser Melting(HP SLM) of Aluminum Parts. Physics Procedia 12(2011): 271-278. 4 Mullen, L., Stamp, R.C., Brooks, W.K., Jones, E., Sutcliffe, C.J., 2009. Selective laser melting: a regular unit cell approach for the manufacture of porous, titanium, bone in-growth constructs, suitable for orthopedic applications. Journal of BiomedicalMaterials Research-Part B: Applied Biomaterials 89 (2), 325-334. 6 Mullen, L, Stamp, R.C., Fox, P., Jones, E., Ngo, C., Sutcliffe, C.J., 2010. Selective laser melting: a unit cell approach for the manufacture of porous, titanium, bone in-growth constructs, suitable for orthopedic applications. II. Randomized structures. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 92 (1), 178-188.,7 Shen, Y., McKown, S., Tsopanos, S., Sutcliffe, C.J., Mines, R.A.W., Cantwell, W.J.,2010. The mechanical properties of sandwich structures based on metal lattice architectures. Journal of Sandwich Structures and Materials 12 (2),159-180. 8 Gaskell, D.R., 1995. Introduction to the Thermodynamics ofMaterials, 3rd ed. Taylor& Francis,Washington. 9 Elefterios Louvis, Peter Fox, Christopher J.Sutcliffe. Selective laser melting of aluminium components. Journal of Materials Processing Technology, 211(2011):275-284. 10 唐华生.国外粉末冶金铝合金的研究和发展.兵器科学与工程.1985,（10） 11 J. H. Liu，Y. S. Shi，K. H. Chen，S. H. Huang. Research on manufacturing Cu matrix Fe-Cu-Ni-C alloy composite parts by indirect selective laser sintering. 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Materials Science Forum，2007,546-549:941-946.,二、研究方案,1.主要研究内容、研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析 主要研究内容: 1)铝合金SLM成形过程中的氧化特征：包括氧化形貌、机理及受工艺影响规律等氧化层表面粗糙，微观上呈层片状(图6)；氧化主要是由于铝极易与腔体内的微量氧反应；如果单层采用两次扫描方式，并且两次扫描的方向垂直，这样第二次的扫描会使第一层的氧化膜重熔，氧化膜会减少，或者增大能量密度等方法减少氧化铝薄膜。,图6 Eleftherios Louvis SLM成形6061试样截面光学和SEM微观照片 （A）试样抛光、凯勒试剂腐蚀 （B）NaOH溶液深腐蚀,2）铝合金SLM成形过程中的冶金相变规律:SLM铝合金粉末过程中涉及到很多过程，有铝合金粉末的流动，铝合金粉末对激光的吸收，铝合金粉末气化后产生的烟，激光熔化过程中熔池里的铝合金粉末和氧化铝的润湿性，Marangoni force 对熔池的搅拌作用和熔池吸粉的产生机理，尝试探索研究以上问题，以及铝合金熔化凝固过程中的组织相变规律。 3）铝合金SLM成形质量受工艺参数的影响规律:致密度、表面质量、力学特性受工艺参数的影响规律等。激光功率、扫描速度、粉末层厚和扫描间距工艺参数直接影响着成形零件的致密度、表面质量和力学特性。 拟解决的关键问题:SLM铝合金粉末过程中产生的氧化铝薄膜严重影响着制件的性能。但是氧化铝的形成条件及其简单（10-52pO2 在600），完全避免氧化铝的形成是不可能的20。 氧化铝的形成主要有两个方面：第一，加工腔体的氧含量在0.2%-0.5%，这完全满足不锈钢粉和钛粉加工条件，但是氧化铝仍然能形成；第二，激光作用在粉层上会把下面的氧化铝膜熔化并气化产生氧气，在凝固时再次生成氧化铝薄膜。因此，必须探索新的工艺方法来控制氧化过程，或者打断氧化铝膜在制件中的存在，这样制件的性能才能提高。,研究方法:拟结合工艺调控和优化、设备改造、性能测试等方法，探索铝合金SLM成形过程中氧化过程的控制和制件中氧化铝薄膜打断的新方法，建立SLM铝合金成形过程中冶金相变规律。 首先对工艺进行调控，从扫描方式上、功率上对铝合金重熔试着打断氧化铝薄膜，或控制氧化铝薄膜的产生量； 其次是现有的SLM设备改进，从现在的抽真空通入保护气来降低氧含量和水蒸气，改成通入保护气，循环系统，来除去加工腔体的产生的氧气和颗粒性物质；并用铜网对产生的烟进行收集，通过EDS和SEM对其进行成分和形貌测试分析，以确定烟的由来。通过SLM成形铝合金测试件，并对其力学性能（采用万能拉伸试验机、硬度仪等），微观表征分析测试等（对SLM成形测试件凯勒试剂腐蚀和NaOH深腐蚀后进行金相和SEM观测），来分析氧化铝薄膜的特征，及通过激光快速凝固理论、激光焊接冶金学、激光材料加工传热传质学等分析铝合金SLM成形过程中的冶金相变规律。,技术路线图:,实验方案及可行性分析 实验方案： 第一，选择纯铝材料作为试样原料加工8*8*8的试样块，选择激光功率为80%，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.08mm进行激光成形加工；通过对纯铝和纯铜原料的混合，以20%的比例进行混合（质量比），通过选择激光功率为80%，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.08mm进行激光成形加工8*8*8的试样块；通过对纯铝和纯铜原料的混合，以40%的比例进行混合（质量比），通过选择激光功率为80%，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.08mm进行激光成形加工，8*8*8的试样块；通过对纯铝和纯铜原料的混合，以60%的比例进行混合（质量比），通过选择激光功率为80%，扫描速度为600mm/s，扫描间距为0.08mm进行激光成形加工8*8*8的试样块. 第二，加工完上述三个试样块以后，对铝合金试样块进行检测如：试样内部微观组织、致密度、缺陷等方面观察当前设置的参数对铝合金试件的加工过程中质量的影响。,第三，选择小范围的配料比例着手，对纯铝和纯铜原料进行混合，接下来选择激光功率为60%，扫描速度为300mm/s，扫描间距为0.05mm进行激光成形加工；通过对纯铝和纯铜原料的混合，以8%的比例进行混合（质量比），通过选择激光功率为60%，扫描速度为300mm/s，扫描间距为0.05mm进行激光成形加工8*8*8的试样块；通过对纯铝和纯铜原料的混合，以10%的比例进行混合（质量比），通过选择激光功率为60%，扫描速度为300mm/s，扫描间距为0.05mm进行激光成形加工，8*8*8的试样块；通过对纯铝和纯铜原料的混合，以150%的比例进行混合（质量比），通过选择激光功率为60%，扫描速度为300mm/s，扫描间距为0.05mm进行激光成形加工8*8*8的试样块；在这一过程中可以考虑过一个长大约30*20*10mm的长方体试样件，来检测该件的抗拉强度。 第四，加工完上述三个试样块以后，对其铝合金试样块再进行检测，来观察小范围原料配合比列和不同机器参数设置对铝合金试样件的强度、韧性、硬度等方面的性能影响. 第五，最后对其铝合金试样件的氧化特征、内部组织规律、金相变化、热处理效应等方面做进一步的研究，最后以论文的形式分析影响铝合金试样件的各个性能因素。,可行性分析： 随着航天航空技术的快速发展，制造业对轻型零件的需求已经越来越热。对国内、国外关于铝合金零件的使用情况和发展趋势作了一定的了解。现在，我国也开始把铝合金材料的研制纳入国家先进制造技术的行列当中，切实提高我国的制造创新能力。我的选题可以从以下几个方面来谈谈其可行性： 制造市场需求方面： 现在社会无论是