轻质高强Ti基材料的激光辅助3D打印开题报告

全文总字数：7343字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，先进飞机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶等先进国防装备性能的提升主要依赖于新材料和新工艺的应用。轻质、高强、耐高温、高性能金属结构材料及其先进的材料制备与零件成形制造技术便成为了国防装备制造和性能升级的关键技术。尤其是在航空发动机等领域，工作环境恶劣或者工作条件苛刻，对高性能金属结构材料使用性能及其材料制备与零件制造技术的要求越来越高。ti基材料（例如，ti-al）具有密度低、低膨胀系数、高热导率、比强度高、屈强比高、 耐蚀性及高温力学性能优异等突出特点，在先进飞机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶等先进国防装备中，被广泛用作对国防装备性能具有决定性影响的关键结构件，ti基材料用量的高低已成为衡量飞机、发动机等许多先进国防装备先进性的重要标志之一。因此，提高ti合金的可靠服役性能和使用寿命至关重要。

由于3d打印过程是一个涉及冶金、传热、传质、流体力学、力场和热场等多物理场耦合作用的复杂过程。在熔覆过程中，激光光斑与材料粉末同时到达加工台面形成熔池，不同的加工参数(激光扫速度和路径、激光功率、送粉速度)下激光形态和粉末高速流动形式会有显著的差别，导致样品形成不同的微观结构和性能。因此，3d打印的工艺参数会对材料的微观结构产生重要的影响。另外，3d打印过程中熔池温度场变化、热流变化、等均会影响样品的层间应力，容易造成局部应力集中，导致样品中产生孔洞和裂纹，影响材料的使用性能。

功能梯度材料（fgm）的特征是材料或微结构的空间变化，从而在相隔体积内的不同位置产生多种特性和功能，其特性会随着位置的变化逐渐改变化学或微观结构，从而在一个或多个维度上发生变化[1]。功能梯度材料获得了所有组成材料的好处，并将其同时呈现。因此该项技术并在现代工业中得到了广泛的应用[2]。这种新工艺有效地防止了在连接界面处的脆性金属间相形成，产生了由非焊接金属复合而成的厚，致密和可加工的功能梯度材料。尽管获得了致密的结构，但制造的功能梯度材料也存在一些缺陷（例如表面耐磨涂层存在的涂层容易脱落等问题）。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

1. 相图分析：利用现有数据库构筑ti/ni、ti/al等材料体系相图，分析没有第二项出现的环境条件与制备路径。
2. 制备材料：梯度样品是使用定向能量沉积系统（lens系统）制造的，.使用yag激光。制造过程在氩气气氛中进行。将制品从基板上切下，并使用电火花线切割加工将其切成两半，样品垂直地分成两半。将两半分开的环氧树脂安装，研磨并抛光。用kroll试剂固定样品。功能梯度材料的微观结构，化学成分和力学性能随位置而定。
3. 测试表征：采用xrd、eds、dsc、fe-sem、hr-tem等测试技术对材料的显微结构、形貌和性能进行测试。

2.2 研究目标

3. 研究计划与安排

第1－2周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第3－8周：按照设计方案，制备性能满足要求的ti基材料并优化制备工艺。

第9－11周：采用xrd、eds、dsc、fe-sem、hr-tem等测试技术对材料的显微结构、形貌和性能进行测试。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] lourdes d. bobbio, richard a. otis, john paul borgonia, r. peterdillon, andrew a. shapiro, zi-kui liu, allison m. beese,additive manufacturingof a functionally graded material from ti-6al-4v to invar: experimentalcharacterization and thermodynamic calculations,acta materialia,volume127,2017,pages 133-142,issn 1359-6454.

[2] naebe, m., shirvanimoghaddam, k., 2016. functionally graded materials:a review offabrication and properties. appl. mater. today 5,223–245.http://dx.doi.org/10.1016/j.apmt.2016.10.001.

[3] gu, d.d., meiners, w., wissenbach, k., poprawe, r., 2012. laseradditive manufacturingof metallic components: materials, processes andmechanisms. int. mater. rev.57,133–164.http://dx.doi.org/10.1179/1743280411y.0000000014.