镁合金/碳纳米管复合材料选区激光熔化成型机理及性能研究

Facing the challenge of high reflection and low strength for magnesium alloy in selective laser melting (SLM) manufacturing, a new method named magnesium alloy／carbon nanotubes composites by SLM is proposed in the project and the science problems including laser energy absorption mechanism, microstructure characteristic and mechanical properties will be studied. The interaction with laser beam and the composites will be clarified and thermal distribution model will be built by density functional theory and numerical simulation technology. Microstructural characterization will be used to achieve the morphology, microstructure and distribution of the strengthened phase. Digital intelligent ultrasonic flaw detector and audio-visual microscopic analysis technology will be adopted to Observe and photograph micro-crack initiation, propagation and fracture morphology, the aim is to reveal the microscopic mechanism of defect formation and control. Mechanical properties tests and theoretical analysis will be used to establish a intensity model and reveal the strengthening and control mechanisum of carbon nanotubes strengthened composite magnisium alloy SLM parts. This research results will lay the foundation for the SLM of magnesium alloy／carbon nanotubes composites and promote the application of magnesium alloys in our high-end manufacturing.

本项目针对镁合金选区激光熔化（SLM）成型的瓶颈问题（高反射和低强度），提出了镁合金/碳纳米管复合材料SLM成型新方法，并对其在SLM成型中的激光能量吸收机理、微观组织结构特征规律及力学性能强化与控制之间内在联系的主要科学问题进行研究。基于密度泛函理论与数值模拟技术，阐明复合粉末与激光的相互作用机理，并建立熔池温度场热量动态分布模型；采用微观组织表征方法获得复合粉末SLM成型件表面形貌、微观组织结构特征及增强相分布规律；采用数字化智能超声波无损探伤仪并结合声像显微分析技术对微裂纹萌生、扩展与断裂形态进行观测和跟踪拍摄，揭示其形成的微观机制及控制规律；采用力学性能测试与强度理论分析方法，建立复合粉末SLM成型件强度结构模型，探明力学性能强化机理及控制规律。研究成果将为发展高性能镁合金/碳纳米管复合材料的复杂结构零部件SLM成型技术奠定科学基础，促进镁合金在我国高端制造业的应用。

镁合金SLM成形高激光反射和低强度问题，严重制约了镁合金SLM成形技术的工业化应用。针对这一问题，本项目对镁合金/碳纳米管复合粉末制备及其SLM成形过程中若干基础问题进行研究。设计和改造了等离子球化装置连续收送粉系统，研究了等离子球化工艺对镁合金粉末微观形貌、球化率、粒度分布及流动性的影响规律。通过球磨工艺参数优化，研究了复合粉末粒度分布、表面形貌及激光吸收性能的变化规律，得出CNT含量阈值为1.5wt%。利用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，建立了复合材料SLM成形过程瞬态温度场热量动态分布模型及元素蒸发烧损数值模型，揭示了复合粉末与激光相互作用机理，明确了复合材料完全熔化的工艺窗口。通过SLM工艺优化和组织调控，研究了激光能量密度对复合材料SLM成形件相对致密度、表面粗糙度等的影响；在最优SLM工艺窗口下，对比分析了添加CNT前后镁合金SLM成形件微观组织及力学性能的变化规律，揭示了镁合金SLM力学性能强化机理，并建立了CNT在熔池中的迁移分布模型。研究结果对于促进镁合金SLM成形技术的工业化应用，具有重要的学术意义和应用价值。