激光烧结铜基合金的关键工艺及基础研究

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1、南京航空航天大学博士学位论文激光烧结铜基合金的关键工艺及基础研究姓名：顾冬冬申请学位级别：博士专业：材料加工工程指导教师：肖军20070601激光烧结铜基合金的关键工艺及基础研究光烧结中抑制“球化”效应、改善成形精度和控制成形机制、提高烧结致密度的基本规律。提出了将不同激光功率和扫描速率下的粉体激光熔凝特征划分为微熔区、部分熔化区、持续熔化区、球化区、及完全熔化区这一新颖的工艺思路；且以部分熔化区为适宜工艺区间。在保证适宜成形机制条件下，通过合理设定光斑直径（0.3mm）、适当增加激光功率（>300W）、减小扫描速率（<0.06

2、m/s）、减小扫描间距（≤0.15mm）、或降低铺粉厚度（≤0.30mm），能改善烧结致密度及组织均匀性。发现并总结了3类激光烧结“球化”机制：“第一线球化”、“收缩球化”和“自球化”；并可通过合理设定粉床预热温度及控制激光功率和扫描速率加以抑制。提出了利用“能量体密度”对激光成形性作精确化和稳定化调控，对于3制备的多组分铜基金属粉末在能量体密度为0.23kJ/mm条件下，可实现最大外观尺寸210mm×70mm×9mm，相对密度>90%，最大尺寸误差<2%、拉伸强度>140MPa的复杂形状铜基金属样件的激光烧结成形。论文第二部分

3、，研究激光烧结制备亚微米WC－Co颗粒增强Cu基块体复合材料的成形工艺、冶金机制及基础理论，内容包括：（1）激光烧结制备亚微米WC－10Co颗粒增强Cu基复合材料的材料设计与工艺研究，获取了高性能颗粒增强金属基复合材料激光快速成形的关键材料与工艺激光烧结具有工艺灵活性和取材广泛性，可用于新型材料及零件的制备与成形；同时，因激光作用的高度非平衡性，也有望使成形材料具有特殊的组织及性能。对于陶瓷颗粒增强金属基复合材料，可用包覆金属的金属陶瓷和基体金属制备成复合粉体，在激光烧结过程中易实现金属－金属界面结合。作者设计并制备了包覆Co的

4、亚微米WC（增强体）和Cu（基体）的复合粉末，成功获得了激光烧结制备的WC－10Co颗粒增强Cu基复合材料块体试样。发现高能激光的快速作用机制致使WC颗粒完好保留亚微米尺寸特征，甚至部分细化至纳米级。同时，对工艺条件（激光参数和铺粉参数）作了优化，发现增加激光功率至700W、在高于0.04m/s条件下提高扫描速率、或减小铺粉厚度至0.30mm以下，均能提高烧结致密度，改善增强体分散均匀性以及与基体结合性。在材料界面结构的研究中，发现将增强相WC通过WC－10Co复合粉体加入，可将WC/Cu（陶瓷/金属）界面转变为WC/Co/Cu

5、（陶瓷/中间层金属/金属）界面，也即将粘结相Co作为基体金属Cu与增强相WC的“润湿媒介”，从而改善颗粒/基体界面结合性。同时，通过优化粉末体系中增强体含量，避免了在增强体含量较低时（≤20wt.%），因复合体系热膨胀系数较高、熔体过热倾向明显而出现的“球化”效应；或在增强体含量较高时（≥40wt.%），因液相生成量偏少、熔体粘度过高而导致的增强颗粒团聚现象。实验结果表明WC－10Co以30wt.%为宜。ii南京航空航天大学博士学位论文（2）激光作用下增强颗粒与基体金属推挤/俘获机制的理论研究，提出了提高颗粒/界面俘获效应、改善

6、颗粒分散均匀性及界面结合性的工艺和材料措施激光快速作用下颗粒与动态凝固界面的交互作用是影响颗粒增强金属基复合材料激光成形性能的又一关键因素。已有的关于颗粒/界面作用的研究，一般将固液界面简化为平界面，而将颗粒假设为置于平界面前沿的单个球形颗粒或少量规则分布的颗粒；此种假设对于复合体系激光成形过程难以成立。一方面，因基体与颗粒热导率和比热的差异，从本质上决定了复合体系的起始平界面存在局部不稳定性；另一方面，因激光束移动扫描，熔体流动具有紊乱性，故凝固过程难以通过平界面方式进行。作者通过引入枝晶形态的凝固界面，建立了用以描述激光快速

7、凝固条件下增强颗粒与动态固液界面交互作用的理论模型；分析结果表明，颗粒俘获的主控因素是激光作用下的熔体临界过冷度。为提高颗粒俘获效应，特别是在增强体质量分数较高的条件下改善其分散均匀性，在工艺方面，可适当提高激光功率和扫描速率，以提高熔体过冷度；在材料方面，可在粉体中适量添加稀土元素来降低熔体表面张力，改善固液润湿性；钉扎晶界/相界，抑制晶粒/颗粒粗化；提高形核率，细化晶粒。实验研究结果表明，在高质量分数（50.0wt.%）亚微米WC－10Co和Cu复合粉末中添加适量La2O3（1.0wt.%），可实现对增强颗粒的有效俘获，提高

8、颗粒分散均匀性以及颗粒/基体界面结合性，并获取良好的成形致密度。关键词：快速成形技术；直接金属激光烧结；液相烧结；多组分铜基金属粉末；金属基复合材料；颗粒增强；显微组织；磷；WC－Co；稀土元素iii激光烧结铜基合金的关键工艺及基础研究ABSTRACTAsani