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功能梯度金属材料增材制造实验与数值研究综述(4)
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摘要:图14a-c中NiCr-YSZ DI、NiCr-YSZ CG和NiCrAlY-YSZ CG系统的截面评估显示,由于AM过程中的热应力,垂直于基体表面存在大量平行裂纹。然而,NiCr-YSZ CG系统比NiCr-YSZ
图14a-c中NiCr-YSZ DI、NiCr-YSZ CG和NiCrAlY-YSZ CG系统的截面评估显示,由于AM过程中的热应力,垂直于基体表面存在大量平行裂纹。然而,NiCr-YSZ CG系统比NiCr-YSZ DI系统具有更少的分层裂纹,从而提高了系统的使用寿命。在热循环测试中,仅在5个循环内,NiCrAlY- ysz CG系统就由于NiCrAlY的快速内部氧化和吸收热应力的能力降低而失效(涂层面积的20%以上发生脱层)。然而,NiCr-YSZDI和NiCr-YSZ CG系统在持续240个循环后都失败了,但从图14d、e和f、g中可以看出其行为不同。CG体系中相邻层间热膨胀系数差异较小,且存在大量的金属陶瓷界面氧化现象,而DI体系中相邻层间存在较大的水平裂纹和连续的金属陶瓷界面氧化现象,是导致其失效行为不同的原因。此外,NiCr-YSZ DI和NiCr-YSZ CG系统的降温实验结果,分别如图14h和i所示,表明在绝热条件下,CG系统的导热系数较低,原因是CG系统的层数较多、金属-陶瓷界面较多、晶界较多,所以它更能更有效地发挥保温的作用。
对此,Savitha等人的另一项研究表明,YSZ与NiCrAlY结合涂层结合后,YSZ含量增加,合金元素在熔池之间的扩散由于熔池温度的升高(这是因为YSZ具有较高的激光吸收能力)而增强。结果表明,NiCrAlY- ysz梯度涂层的热循环性能显著降低,形成了脆性的Ni7Zr2和β-NiAl相(β-NiAl相是NiCrAlY抗氧化的有效成分)。结果表明,在没有中间层65vol.% YSZ的情况下,梯度涂层的热循环寿命从不足5次提高到超过200次(见图15)。
图15 a) Ti6Al4V/TiC梯度复合照片。(b-h)梯度层的显微组织分别为5 vol.% TiC、10 vol.% TiC、15 vol.% TiC、20 vol.% TiC、30 vol.% TiC、40 vol.% TiC和50 vol.% TiC。i)增材制造梯度复合材料的微观结构演变示意图。j)不同TiC体积分数的Ti6Al4V/TiC复合材料的拉伸强度。
3.2.2.钛基梯度复合材料
与Ti6Al4V合金优异的高温强度相比,其硬度低、耐磨性不足限制了其在一些重要工程领域的应用。为了解决这些问题,添加陶瓷颗粒被认为是改善Ti6Al4V合金机械、物理和摩擦学性能的一种潜在的解决方案,其中碳化钛(TiC)由于具有相似的热膨胀系数,高硬度,是最重要的添加剂之一。以及钛基体的热机械稳定性。例如,Mahamood等研究了Ti6Al4V/TiC梯度沉积,并证明了在优化工艺参数下每一层生成的FGM比基体和恒定工艺参数下生成的FGM具有更好的耐磨性能。
在(a)低放大倍数和(b)高放大倍数下基材磨损轨迹的SEM显微图。
强烈的粘附和两表面的滑动作用提高了表面的温度,从而导致塑性变形,最终导致Ti6Al4V表面的剪切和撕裂。Ti6Al4V表面的撕裂和剪切产生的部分碎片附着在碳化钨球表面;而其余的留在两个表面之间。这些碎片加剧了磨损作用,因为它将二体磨损机制变为三体磨损机制。
随着滑动作用的继续,碎片变得加工硬化,它在基体中切割得越来越深。碎屑切入基体后形成了Wu等人所描述的特征平行凹槽,如上图所示。图a为基板磨损轨迹的低放大倍数;放大倍数如图b所示。
这是由于在优化的梯度切割材料的微观结构中有大量未熔化的碳化物,这在磨损试验中形成了滑动表面之间的润滑粉末。此外,与基体相比,显微组织中Ti3Al金属间化合物的形成改善了两种fgf的磨损性能,因为它们具有较高的硬度。Li等]研究了Ti6Al4V/TiC梯度复合材料增材制造中初晶TiC和共晶TiC的形成机理,并研究了梯度复合材料拉伸加载时的机械性能和断裂机制。根据图14 b - h不同层的微观结构梯度复合材料,通过增加体积分数的抽搐粉混合使用,除了增加未消散的抽搐块组织,首先颗粒/链形成的共晶抽搐逐渐让位于主TiC颗粒/树突。后者归因于熔池中碳含量的增加(TiC颗粒的部分熔化/溶解),从而导致Ti-C相图中从亚共晶区向过共晶区转变。随着熔池中碳含量的进一步增加和随后各层结构过冷度的提高,初生TiC枝晶在显微组织中更加明显。图14i是沿梯度复合材料的微观结构演变示意图。
图14j为不同TiC体积分数的Ti6Al4V/TiC均质复合材料的拉伸试验结果。可以看出,只有当TiC含量为5%时,复合材料的强度高于Ti6Al4V合金,且TiC含量越高,复合材料的强度呈下降趋势。复合强化机制之间的竞争(加载应力的转移矩阵抽搐加强粒子)和强度损失的增加不熔化的TiC颗粒和粗主要抽搐树突(当使用大量的抽搐制造复合)是拉伸的这种行为的原因随着TiC体积分数的增加,Ti6Al4V/TiC复合材料的强度增大。
文章来源:《金属功能材料》 网址: http://www.jsgncl.cn/zonghexinwen/2022/0422/764.html