论文部分内容阅读
Nb521合金作为新一代的高温难熔Nb合金,具有高温力学性能优异、高熔点、低密度及可塑性好等优势,在航空航天领域占据重要地位。然而,随着人们对高温难熔材料复杂构件需求的增大,加之Nb521合金熔点高且高温易氧化,其制备成为制约发展的主要问题。而电子束选区熔化增材制造技术（EBSM）因拥有粉末成材的特性及高能量电子束与真空无污染的环境能同时解决上述问题。目前,关于Nb521合金的EBSM相关研究较少,仍有许多科学问题和技术问题有待研究,故本文采用EBSM方法制备Nb521合金,并进行深入研究。本文前期对EBSM工艺所需的Nb521合金粉末的微观形貌、组织特征及硬度进行系统研究,并采用COMSOL Multiphysics有限元模拟软件对不同尺寸粉末制备过程温度场进行模拟,阐明冷却速度与凝固组织变化规律。通过ABAQUS有限元软件对Nb521合金EBSM过程热历史变化进行温度场模拟,同时对Nb521打印成形件的形貌和微观结构特征以及力学性能进行研究,结合模拟结果阐明打印过程成形机理。采用等离子体雾化制粉设备制备Nb521合金粉末。借助X射线衍射仪（XRD）、金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）以及纳米压痕对粉末组织形貌、微观结构及硬度进行研究。结果表明,Nb521合金粉末球形度较高,其粒径分布符合标准正态分布,中值粒径为75μm,总体尺度处于微米尺度。由XRD结果显示,Nb521合金粉末中只存在Nb衍射峰。通过冷却速度计算与模拟计算结果的比较,得出气雾化Nb521合金粉末的平均冷却速度为105106K/s。通过SEM及纳米压痕结果表明,Nb521合金粉末的粒径越小,形成过程的冷却速度越快,组织越精细,硬度越高,到达一定程度,其凝固组织会成为完全平面晶。采用ABAQUS CAE有限元模拟手段研究打印过程不同层面热历史情况,发现受基板预热影响,首层温度最高,熔池最大。除最表层外每一打印层均受热循环影响,从而揭示打印过程热量传递原理。不考虑热循环效应,首层冷却速度最快,对于整体打印过程最表层冷却速度最快。采用EBSM工艺制备了Nb521合金成形件,并结合模拟结果对其沿打印方向各层面（S1S6）组织、析出相、微观结构形貌及力学性能（包括拉伸强度及纳米硬度）进行系统研究。Nb521合金成形件组织中存在条状与点状Nb2C析出相与点状（Nb,Zr）C析出相,（Nb,Zr）C相为冷却过程中由Nb2C相演变成。S1S6层晶粒尺寸受打印过程热历史影响呈现先升高后降低。纳米压痕结果显示S1S6层Nb521合金成形件硬度值先降低后升高,位于4-4.3GPa,均高于铸态硬度值。拉伸测试结果表明Nb521合金成形件沿打印方向拉伸强度先降低后升高,约550-650MPa,均高于一般铸态水平。