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激光选区熔化制备点阵结构铜合金组织结构和力学行为研究

2020-12-08阅读(466)

激光选区熔化制备点阵结构铜合金组织结构和力学行为研究

论文摘要

铜及铜合金由于其优良的导热导电性能在电子行业受到广泛应用,其中点阵结构铜合金在电池、散热、传感和驱动等领域应用价值巨大,但传统制备方法如熔模铸造、金属丝组装成型等无法有效的调控点阵结构的力学性能。激光选区熔化（SLM）技术通过调控工艺可以实现对点阵结构铜合金力学性能精确调控的要求,这为制备点阵结构铜合金提供了一种新颖而又高效的方法。基于此,本文利用SLM技术制备点阵结构铜合金,首先针对所选铜合金体系的SLM制备及热处理工艺进行参数优化,获得最优的制备工艺参数,然后在此基础上制备点阵结构铜合金,并对其进行细/微观组织结构分析和力学性能测试分析,揭示“制备工艺-组织结构-力学性能”的关联性。本文采用水雾化制备的Cu-10Sn合金粉末,通过优化工艺参数制备出的Cu-10Sn合金样品相对密度达到99.7%,通过对其组织结构分析发现Cu-10Sn合金组成为α-Cu固溶体和Cu41Sn11金属间化合物,晶粒形态主要为柱状树枝晶;所制备的Cu-10Sn合金在准静态拉伸试验下屈服强度为392±6MPa,拉伸断裂强度为749±5MPa,塑性变形为29±2.3%,其综合力学性能优于铸造样品。为进一步寻求制备样品更为优异的力学性能,设计了三种真空热处理工艺,分别为第一种工艺（加热至613K,保温两小时然后空冷至室温）,第二种工艺（加热至673K,保温四小时然后加热至1073K,最后空冷至室温）和第三种工艺（加热至1133K,保温两小时然后空冷至室温）热处理。经过第一种工艺后的Cu-10Sn合金组织结构变化不大,样品屈服强度降低至351±4 MPa,拉伸塑性略有升高,而断裂强度升高至767±3 MPa;经过第二种工艺后的Cu-10Sn合金中晶粒转变为等轴晶,部分晶粒内部存在退火孪晶组织,样品屈服强度降低至245±5 MPa,拉伸塑性升高至54±1.9%,而断裂强度升高至832±6 MPa;经过第三种工艺后的Cu-10Sn合金大部分晶粒发生了长大,部分晶粒内部存在孪晶组织,样品屈服强度降低至175±4 MPa,拉伸塑性略有升高,而断裂强度降低至421±5 MPa。综合对比经第二种工艺后的样品表现出了较为优异的综合力学性能。在此基础上,通过保持点阵结构杆直径不变的条件下改变杆的长度,利用SLM分别制备出体心立方（Ⅰ型和Ⅱ型）和金刚石（Ⅰ型和Ⅱ型）点阵结构Cu-10Sn合金。I型体心立方点阵结构和Ⅱ体心立方点阵结构的表面形貌和侧面形貌与致密实体的Cu-10Sn合金类似,主要由柱状晶组成。I型体心立方点阵结构的屈服应变区间很小,整个点阵结构骨架从底部发生了变形,其弹性变形量约为4.3%,屈服强度约为97 MPa;而Ⅱ型体心立方点阵结构随着应变的增加,应力缓慢增加,应力应变平台趋势平缓而具有更好的承载能力,其弹性变形量约为4.9%,屈服强度约为35 MPa。I型金刚石点阵结构与设计模型之间存在差异,其弹性变形量约为2.3%,屈服强度约为207 MPa;Ⅱ型金刚石点阵结构点样品中无论支柱还是节点区域的粗糙度均较大,无法达到模型的精细程度,其弹性变形量约为3.3%,屈服强度约为75 MPa。通过综合对比Ⅱ型体心立方点阵结构的工艺适用性最佳。对Ⅱ型体心立方点阵结构进行第二种工艺处理,微观组织结构以等轴晶为主,部分晶粒内部存在孪晶结构,这与块体样品经过第二种热处理工艺后的结果较为一致。对其进行力学性能测试,弹性变形量为6.7%,屈服强度约为45 MPa,应力平台区域更加平滑,有利于在承载过程中保持较好的应力平均分布,具有更好的工艺适用性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 课题背景
  •   1.2 激光选区熔化技术制备点阵结构
  •     1.2.1 国内外研究现状分析及存在问题
  •     1.2.2 点阵结构设计及力学行为表征
  •     1.2.3 SLM成形致密实体铜合金
  •   1.3 研究意义
  •   1.4 研究目标和主要研究内容
  •     1.4.1 研究目标
  •     1.4.2 主要研究内容
  •   1.5 创新点
  • 第2章 实验材料及实验方法
  •   2.1 粉末原材料性能表征
  •   2.2 SLM样品制备方法
  •   2.3 SLM成形样品微观结构表征方法
  •     2.3.1 SLM成形样品微观结构表征方法
  •     2.3.2 水雾化粉末堆积状态表征方法
  •   2.4 SLM成形样品力学性能测试和表征方法
  •     2.4.1 SLM成形样品体积密度表征方法
  •     2.4.2 SLM成形样品准静态压缩性能表征方法
  •     2.4.3 SLM成形样品显微硬度表征方法
  • 第3章 SLM成形Cu-10Sn合金组织结构和力学性能
  •   3.1 SLM工艺参数的优化
  •     3.1.1 粉末SLM成形性能
  •     3.1.2 SLM成形工艺参数对相对密度的影响
  •     3.1.3 工艺参数的影响机制
  •   3.2 SLM成形Cu-10Sn合金组织结构
  •   3.3 SLM成形Cu-10Sn合金力学性能
  •   3.4 热处理对SLM成形样品的影响
  •     3.4.1 热处理工艺对微观组织的影响
  •     3.4.2 热处理工艺对力学性能的影响
  •   3.5 本章小结
  • 第4章 SLM制备点阵结构Cu-10Sn合金
  •   4.1 点阵结构的设计
  •     4.1.1 体积分数、孔隙率和比表面积
  •     4.1.2 点阵结构的设计
  •   4.2 体心立方点阵结构的制备、组织结构和力学性能分析
  •     4.2.1 Ⅰ型体心立方点阵结构的制备
  •     4.2.2 Ⅰ型体心立方点阵结构组织结构分析
  •     4.2.3 SLM成形过程对Ⅰ型体心立方点阵结构微观结构的影响
  •     4.2.4 Ⅰ型体心立方点阵结构力学性能分析
  •     4.2.5 Ⅱ型体心立方点阵结构的制备
  •     4.2.6 Ⅱ型体心立方点阵结构组织结构分析
  •     4.2.7 Ⅱ型体心立方点阵结构力学性能分析
  •   4.3 金刚石点阵结构制备、组织结构和力学性能
  •     4.3.1 Ⅰ型金刚石点阵结构的制备
  •     4.3.2 Ⅰ型金刚石点阵结构的组织结构分析
  •     4.3.3 Ⅰ型金刚石点阵结构的力学性能分析
  •     4.3.4 Ⅱ型金刚石点阵结构的制备
  •     4.3.5 Ⅱ型金刚石点阵结构微观组织分析
  •     4.3.6 Ⅱ型金刚石点阵结构力学性能分析
  •   4.4 热处理对Ⅱ型体心立方点阵结构微观组织的影响
  •   4.5 热处理对Ⅱ型体心立方点阵结构的力学性能的影响
  •   4.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间所取得的研究成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张晓雅

    导师: 贺定勇,胡强

    关键词: 激光选区熔化,铜合金,点阵结构,组织结构,力学行为

    来源: 北京工业大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

    专业: 物理学,金属学及金属工艺,金属学及金属工艺,无线电电子学

    单位: 北京工业大学

    基金: 国家重点研发计划课题的资助(2017YFB0305800),先进输电技术国家重点实验室开放课题的资助(GEIRI-SKL-2017-008),北京市朝阳区科委2017年度协同创新项目的资助(CYXC1701)

    分类号: TG146.11;TG665;TN249

    DOI: 10.26935/d.cnki.gbjgu.2019.000781

    总页数: 68

    文件大小: 3653K

    下载量: 133

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