功能梯度金属材料增材制造:实验与数值研究综述(2)

来源:金属功能材料 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2022-04-22
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摘要:? 图2 (a)不连续梯度材料和(b)连续梯度材料示意图(c)、(d)和(e)分别为两种类型的二次相颗粒的化学成分、晶粒取向和体积分数逐渐变化的界面组成的不连续

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图2 (a)不连续梯度材料和(b)连续梯度材料示意图(c)、(d)和(e)分别为两种类型的二次相颗粒的化学成分、晶粒取向和体积分数逐渐变化的界面组成的不连续梯度材料示意图。(f)、(g)和(h)显示了连续梯度材料在无界面情况下,晶粒尺寸、纤维取向和二次相颗粒体积分数发生轻微变化的示意图。

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几十年来,切割玻璃基复合材料的研究引起了许多研究者的关注,特别是从固体机械的角度。此外,大量有用的综述研究集中在FGMs的制造技术、性能和应用。然而,增材制造(AM)技术的出现和发展似乎为梯度金属材料的发展打开了新的篇章,这需要在其他工程科学之外,全面深入地理解材料科学和工程角度对梯度金属材料的AM的理解。

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因此,本文以AM技术为重点,简要回顾了梯度制造方法,并从材料科学与工程的角度,介绍了金属-金属、金属-陶瓷、金属-金属间化合物梯度增材制造三个领域的实验研究和成果。其次,综述了梯度金属材料的梯度效应在材料科学与工程中的数值研究。最后,在总结和总结研究的基础上,对未来的研究提出展望。需要指出的是,由于课题的跨度,本文只对成分级配金属切割玻璃基板的不同方面进行了探讨,将晶格结构和多孔级配金属切割玻璃基板的研究留到以后的工作中。

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2. 梯度金属材料的制造方法

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梯度加工方法在满足梯度结构的几何特征、化学成分、微观结构等方面的设计要求,从而提高梯度加工材料的性能方面起着重要的作用。此外,从经济方面(成本和时间)和环境方面(消耗和污染)来选择制造方法是非常重要的。化学/物理气相沉积技术、热喷涂、粉末冶金、火花等离子烧结、离心铸造和自蔓延高温合成是常见的梯度材料制造方法。然而,几何(在尺寸和复杂性方面)和密度的限制、高能耗和环境污染阻碍了这些传统制造方法生产的梯度材料的发展。

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在AM技术中,零件的最终形状是通过添加材料来创建的,最好是一层一层地叠加在一起。因此,它也被称为分层制造技术。分层制造的原理是基于这样一个事实:任何物体,无论其几何复杂性如何,都可以被切割成几层,并通过连接层[38]来重建。AM过程的独特性质提供了许多传统过程的优势。在AM工艺中,复杂的零件可以在一步之内生产出来,非常接近预期的设计,而且不受传统制造方法的限制。此外,在这一过程中,通过消除或减少组装多部件部件的需要,可以显著减少部件部件的数量。

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另外,在AM技术的帮助下,零件可以按需生产,这减少了零件的储存和运输的需要(这是有效降低成本和延长零件的使用寿命)。由于这些原因,AM技术现在被广泛考虑用于设计和制造高性能部件,如航空航天、汽车、医疗和能源行业所需的部件。该技术已在美国(ASTM F2792)和德国(VDI 3405)进行了标准化,并在全球范围内使用。虽然在FGMs的AM中,以熔炼和凝固为基础的工艺、立体光刻工艺、材料喷射工艺和熔融沉积建模(FDM)工艺是应用最广泛的工艺,但基于熔炼和凝固的工艺,简要介绍如下:主要用于梯度金属材料的增材制造。值得注意的是,尽管面临着科学、技术和经济方面的挑战,但制造独特零部件的能力和克服传统制造方法缺点的潜力,已经使金属增材制造成为当今AM发展最快的部分。

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一种自制的测试棒,从100% Al2O3到50% Al2O3 + 50% ZrO2分级。

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上图为烧结后的样品。使用FEF系统制备的试件从100%Al2O3膏体开始,过渡到一半100% Al2O3膏体和一半50%Al2O3 + 50% ZrO2膏体(因此,75% Al2O3+ 25% ZrO2的总成分),最后是50% Al2O3 +50% ZrO2膏体。一旦制作完成,Al2O3-ZrO2零件被冻干并烧结到最后的高度为36毫米。冻干温度为- 25℃,压力为3000Pa。样本举行这个温度和压力24 h。样品就可以温暖到室温(25°C),同时保持相同的真空压力,并为额外的24小时举行。粘合剂倦怠是通过加热样品1°C /分钟到600°C和1 h。从那时起,将样品在10℃/min的温度下加热至1550℃,保温90 min。保温90 min后,将样品冷却至25℃/min的室温。

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在基于熔化和凝固的过程中,原料通常是粉末形式,用于粉末床熔合(PBF)和定向能沉积(DED)系统。这两种技术可以根据所使用的能源类型进行分类。在基于pbf的工艺中,热能根据每一层的预设计,有选择地熔化粉末床的区域。随着这一层的固化,新的粉末层被铺在前一层上,这一过程被重复用于下一层,直到最终所需的几何形状完成。选择性激光烧结或熔化(SLS/SLM)(图3)和电子束熔化(EBM)是PBF子集[44]的主要过程。

文章来源:《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2022/0422/763.html



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