模具行业中的LP-DED FGM
功能梯度材料的首批工业应用之一涉及表面涂层 ， 由海德激光服务公司获得 。 这是一家总部位于马萨诸塞州的公司 ， 其应用主要集中在工具和模具、核能和发电行业的耐磨涂层上 。 第一步是比较LP-DED工艺与传统工艺的性能 。 使用LP-DED工艺在镍基体中沉积碳化钨 ， 与传统工艺（如热喷涂或等离子转移工艺）相比 ， 他们获得了更好的冶金结合 。 Thivillon等人将LP-DED工艺与TIG焊接进行了比较 ， 分析了钴基钨铬钴合金和镍基高温合金Inconel 625的涂层质量 。 通过显微组织、硬度和稀释度等不同特性来评估涂层质量 。 结果表明 ， 采用LP-DED工艺可获得更高的硬度和更细的晶粒 。 此外 ， TIG焊接获得的冶金结合显示出许多不规则性 。 相比之下 ， LP-DED得到的冶金结合效果较好（图17） 。
图17 钨铬钴合金6涂层TIG和b DMD工艺的比较 。
硬度是影响模具寿命的最重要因素之一 。 事实上 ， 模具寿命随着硬度值的增加而增加 。 H-13工具钢由于其高淬透性和高抗热疲劳性 ， 是模具行业最常用的材料之一 。 Chen等人在718H钢上沉积CoMoCr合金表明 ， 由于碳化物和马氏体硬质相的形成 ， 模具显微硬度比初始结构增加了两倍 。
除了机械特性外 ， FGM材料还成功应用于优化模具和模具的能耗、环境影响和材料使用 。 事实上 ， H-13工具钢的另一个缺点是导热系数低 ， 这会导致更长的时间周期 。 为了优化能耗、环境影响和材料使用 ， 并进一步缩短循环时间 ， 高导电材料被用作体积散热器 。 这些材料包括Ampcoloy 940、铜合金和工具钢 。 Morrow等人表明 ， 将H-13工具钢沉积在铜基板上 ， 如图18所示 ， 与传统工具钢模具相比 ， 注塑时间周期可减少约25% 。 然而 ， 当在钢基体上沉积铜时 ， 由于这两种材料的异质性 ， 可能会出现一些困难 。 例如 ， 在AISI H-13钢上沉积纯铜期间 ， Noecker和DuPont表明存在三种取决于铜浓度的开裂敏感性水平 。 这些裂纹归因于较大的凝固温度范围、不期望相的形成以及热膨胀系数的差异 。
图18 功能梯度工具钢铜模 。
Ahn和Kim使用三种不同的材料制作了一个热管理模具 ， 如图19所示：Ampcoloy 940用作基础部件 ， P21工具钢用作模塑部件 ， Monel 400用于中间层 ， 以减少连接区域的热应力 。 结果表明 ， 使用FGM模具的循环时间和冷却时间分别减少了约30%和80% 。
图19 功能梯度热管理模具 。
Fessler等人生产了从100%不锈钢到100%因瓦的FGM样品 。 这种功能梯度材料因其优异的性能而被选用 。 事实上 ， 不锈钢具有较高的耐腐蚀性能 ， 而因瓦的热膨胀系数很低 ， 因此用于减少因残余应力引起的变形 。 美国铝业公司将这种功能梯度材料用于生产一种先进的注射模具 。 该模具的特点是采用铜芯 ， 以减少循环时间 ， 采用因瓦体 ， 以减少因热应力引起的变形 ， 并采用不锈钢外表面 ， 以防止腐蚀 。
LP-DED FGM的其他应用
为了提高汽车行业的耐磨性和耐腐蚀性 ， 使用钢和铬镍铁合金生产的梯度金属材料得到了成功的应用 。 汽车用的功能梯度材料组件包括阀杆、活塞、传动轴和减震器 。 铬镍铁合金由于在高温下具有良好的机械性能和耐腐蚀性能而被成功应用 。 Carroll等人成功地使用LP-DED工艺生产了从304L不锈钢到625铬镍铁合金分级结构的样品(图20) 。 通过改变沉积IN625粉末的质量量 ， 获得FGM组分 。 显微观察结果显示显微结构逐渐改变 ， 没有明显差异 。 对于成分约为82 wt%的SS304L ， 可以观察到尺寸约为几微米的二次相颗粒 。 这些第二相颗粒在沉积过程中产生了约100μm的裂纹 。
图20 a 理论上的和b - DED生产的功能梯度材料样品 。
生产
不使用工具和模具生产近净形状部件是AM工艺的主要优点之一 。 这样可以节省材料并缩短交付周期 。 在大多数情况下 ， LP-DED的生产应用指的是大型部件的生产和使用高熔点合金的生产 。 此外 ， 应注意的是 ， 使用LP-DED工艺的生产速度平均是L-PBF工艺的十倍 。 此外 ， LP-DED生产的样品的机械特性与使用常规工艺获得的性能相当 。 本节介绍了LP-DED工艺生产的部件示例 ， 重点介绍了其应用的部门 ， 即航空航天部门、工具部门和所有其他部门 。
LP-DED生产航空航天零件
航空航天部门是LP-DED工艺被广泛用于生产的最重要部门之一 。 推动该行业使用LP-DED工艺的主要原因是 ， 与使用L-PBF工艺生产的部件相比 ， 可以生产尺寸更大的部件 。
图21 中国商飞C919的5米长钛翼梁 。
推荐阅读
- 神舟十四再次落选，56岁“高龄”备战24年，邓清明还有机会飞天吗
- 领先世界20年，中国青海火星模拟基地，渐渐打开迁徙外太空的大门
- 毒蛇界的“肥仔”，世界十大毒蛇之一，毒量惊人的巨齿蛇皇
- 王亚平女儿就读“特殊幼儿园”，里面的孩子身份不凡，一张画揭露
- 神舟十四号在太空中的微重力冶金，为什么会引起科学家的关注？
- 二氧化钼量子点强化铜复合材料
- 30年耗资数百亿元！中国为什么一定要建设空间站？绝不是面子工程
- 印尼棺材商捡到45亿年历史的陨石，每克857美元，卖出1200万天价
- 每吃一只龙虾，就有一件天然“防弹衣”在消失！