气雾化法制备增材制造用钛合金粉末研究
发布时间：2021-04-21 16:33
钛合金具有熔点高、抗拉强度高、比强度高、比刚度高、生物相容相强、无磁性、耐蚀性强等优点,广泛应用于航空航天、军事工业、轮船工业、汽车工业、石油化工及生物医学等领域。但其导热性差、塑性低、机加工困难、加工周期较长。采用增材制造技术可以很好地解决钛合金成形加工难题,使钛合金的应用进一步拓展。高品质钛粉是钛合金增材制造的基础,由于钛及钛合金在高温条件下极为活泼,易与绝大多数单质及化合物反应,受到污染,因此高纯净度、高品质钛粉的制备难度很大。目前,钛粉制备工艺主要存在细粉收得率低、卫星球比率高、生产效率低、钛粉易污染等问题。本研究在吸取国内外钛粉制备技术优点的基础上,运用高频感应原理、流体力学原理,采用理论研究、模拟研究与实验研究相结合的方法,深入系统地研究了高频感应熔化钛丝气雾化技术（Wire Induction heating Gas Atomization,WIGA）,为WIGA技术的工业化应用奠定理论和技术基础。本研究完成工作及主要成果如下:建立了 2-5mm不同直径钛丝的COMSOL熔化模型,通过数值模拟与优化设计,得到熔化器感应线圈的夹角为90°,线圈最优单匝直径为8mm。通过对不...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 增材制造技术的进展
1.1.1 增材制造技术的分类
1.1.2 增材制造用原材料
1.1.3 钛合金增材制造技术的进展
1.1.4 粉末是金属增材制造的基础
1.2 增材制造用钛粉的制备技术进展
1.2.1 等离子雾化法（PA）
1.2.2 离心雾化法（CA）
1.2.3 气雾化法（GA）
1.3 高效雾化器的研究
1.3.1 高效雾化器的研究进展
1.3.2 高效雾化器的模拟研究进展
1.4 研究目的
2 研究方案
2.1 非约束式紧耦合高频感应熔化钛丝气雾化装备建立
2.2 主要研究内容
2.3 总体技术路线
2.4 数值模拟方案
2.4.1 钛丝熔化模拟研究方法
2.4.2 “气-液”两相流雾化模拟研究方法
2.5 样品特性测试与表征
2.5.1 液流温度测定
2.5.2 粉末氧含量测定
2.5.3 俄歇电子能谱测试
2.5.4 粉末试样制备
2.5.5 粉末表面形貌、内部组织、粒度、流动性分析
2.5.6 成形件微观组织分析
2.5.7 XRD物相分析
2.5.8 力学性能测试
3 钛丝连续熔化工艺优化研究
3.1 钛丝感应熔化模型数值模拟
3.1.1 电磁感应加热原理
3.1.2 电磁场微分方程建立
3.1.3 温度场微分方程建立
3.1.4 边界条件划分与网格剖分
3.2 钛丝熔化模拟研究
3.2.1 感应熔化模型建立
3.2.2 不同直径钛丝熔化结果研究
3.3 钛丝熔化工艺实验优化
3.3.1 熔化装备建立
3.3.2 钛丝感应熔化的工艺优化实验
3.4 本章小结
4 非约束式紧耦合雾化器结构优化研究
4.1 非约束式紧耦合雾化器提出
4.2 非约束式紧耦合雾化器数值模拟模型建立
4.2.1 雾化破碎模型选择
4.2.2 边界条件设定与网格剖分
4.2.3 数值模拟参数加载
4.3 雾化气流倾斜角（α'）对雾化流场的影响
4.3.1 雾化气流倾斜角对金属液的作用
4.3.2 雾化气流倾斜角对流场的影响
4.3.3 最优雾化气流倾斜角的实验研究
gap)对雾化流场的影响"> 4.4 雾化气流出口缝宽(dgap)对雾化流场的影响
4.4.1 雾化气流出口缝宽对速度场的影响
4.4.2 雾化气流出口缝宽对温度场的影响
g）对雾化流场的影响"> 4.5 雾化气流直径（Dg）对雾化流场的影响
4.5.1 雾化气流直径对速度场的影响
4.5.2 雾化气流直径对温度场的影响
4.6 本章小结
5 非约束式紧耦合雾化钛熔体破碎及雾化机理研究
5.1 熔体的一次雾化研究
5.1.1 一次雾化模拟的条件设置
5.1.2 一次雾化速度场研究
5.1.3 一次雾化熔体的破碎过程研究
5.2 熔体的二次雾化研究
5.3 熔体的凝固过程研究
5.4 本章小结
6 非约束式紧耦合雾化钛粉制备工艺优化研究
6.1 研究方案及装备
0）对粉体的影响"> 6.2 雾化气流压强（P0）对粉体的影响
s）对粉体的影响"> 6.3 金属熔体过热度（△ts）对粉体的影响
w）对粉体的影响"> 6.4 钛丝进给速度（vw）对粉体的影响
6.5 钛粉制备工艺参数优化
6.5.1 钛粉制备工艺参数优化
6.5.2 钛粉粉体表征
6.6 本章小结
7 非约束式紧耦合雾化制备钛粉的SLM工艺及性能研究
7.1 实验方案及装备
7.2 成形件物理性能
7.3 成形件微观组织与相组成
7.4 成形件力学性能
7.4.1 冲击性能
7.4.2 拉伸性能
7.5 本章小结
8 结论
9 参考文献
附录A 作者简历及在学研究成果
12 学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D打印材料及其应用概述[J]. 陈双,吴甲民,史玉升. 物理. 2018(11)
[2]电极感应熔化气雾化制粉技术中非限制式喷嘴雾化过程模拟[J]. 夏敏,汪鹏,张晓虎,葛昌纯. 物理学报. 2018(17)
[3]航空钛合金增材制造的机遇和挑战[J]. 陈玮,李志强. 航空制造技术. 2018(10)
[4]高频感应熔化金属丝气雾化制备球形钛粉[J]. 陆亮亮,刘雪峰,张少明,徐骏,贺会军,盛艳伟. 材料导报. 2018(08)
[5]3D打印截骨槽导板与定位钉导板在全膝关节置换术中的对比研究[J]. 刘帅,姚庆强,田书畅,胡军,周进,魏波,顾强荣,徐燕,王黎明. 中国骨与关节杂志. 2017(05)
[6]粉末钛合金3D打印技术研究进展[J]. 赵霄昊,左振博,韩志宇,徐伟,王庆相,梁书锦,张平祥. 材料导报. 2016(23)
[7]Frontiers of 3D Printing/Additive Manufacturing: from Human Organs to Aircraft Fabrication[J]. Lawrence E.Murr. Journal of Materials Science & Technology. 2016(10)
[8]3D打印用钛及钛合金球形粉末制备技术[J]. 梁永仁,吴引江. 世界有色金属. 2016(12)
[9]球形钛粉先进制备技术研究进展[J]. 陆亮亮,张少明,徐骏,赵新明,盛艳伟,张金辉. 稀有金属. 2017(01)
[10]增材制造用钛合金粉末和高温合金粉末的生产[J]. 张义文. 粉末冶金工业. 2016(01)
博士论文
[1]激光选区熔化成形钛铝合金微观组织与性能演变规律研究[D]. 李伟.华中科技大学 2017
[2]超声速气流中液体横向射流破碎与雾化机理研究[D]. 吴里银.国防科学技术大学 2016
[3]钢棒生产线感应加热过程的数值模拟及实验研究[D]. 赵前哲.华北电力大学 2013
[4]离心喷嘴雾化特性实验研究和数值模拟[D]. 张永良.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
[5]喷射沉积气体流场与雾化机制研究[D]. 赵文军.哈尔滨工业大学 2012
[6]超声速气流中横向燃油喷雾的数值模拟和实验研究[D]. 刘静.北京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]TiAl合金熔炼及导流过程的多场耦合作用规律研究[D]. 曾静.哈尔滨工业大学 2017
[2]激光选区熔化近α钛合金工艺基础探究[D]. 周旭.华中科技大学 2015
[3]双级耦合雾化法制备合金粉末的研究[D]. 张维涛.兰州理工大学 2013
[4]紧耦合雾化喷嘴的反压和微细粉末的制备研究[D]. 郭屹宾.中南大学 2009
[5]激光快速成形TC4钛合金的组织和力学性能研究[D]. 张霜银.西北工业大学 2006
[6]电磁感应加热理论研究及强力感应加热器设计[D]. 胡旭东.河北工业大学 2004
本文编号：3152103
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：146 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 增材制造技术的进展
1.1.1 增材制造技术的分类
1.1.2 增材制造用原材料
1.1.3 钛合金增材制造技术的进展
1.1.4 粉末是金属增材制造的基础
1.2 增材制造用钛粉的制备技术进展
1.2.1 等离子雾化法（PA）
1.2.2 离心雾化法（CA）
1.2.3 气雾化法（GA）
1.3 高效雾化器的研究
1.3.1 高效雾化器的研究进展
1.3.2 高效雾化器的模拟研究进展
1.4 研究目的
2 研究方案
2.1 非约束式紧耦合高频感应熔化钛丝气雾化装备建立
2.2 主要研究内容
2.3 总体技术路线
2.4 数值模拟方案
2.4.1 钛丝熔化模拟研究方法
2.4.2 “气-液”两相流雾化模拟研究方法
2.5 样品特性测试与表征
2.5.1 液流温度测定
2.5.2 粉末氧含量测定
2.5.3 俄歇电子能谱测试
2.5.4 粉末试样制备
2.5.5 粉末表面形貌、内部组织、粒度、流动性分析
2.5.6 成形件微观组织分析
2.5.7 XRD物相分析
2.5.8 力学性能测试
3 钛丝连续熔化工艺优化研究
3.1 钛丝感应熔化模型数值模拟
3.1.1 电磁感应加热原理
3.1.2 电磁场微分方程建立
3.1.3 温度场微分方程建立
3.1.4 边界条件划分与网格剖分
3.2 钛丝熔化模拟研究
3.2.1 感应熔化模型建立
3.2.2 不同直径钛丝熔化结果研究
3.3 钛丝熔化工艺实验优化
3.3.1 熔化装备建立
3.3.2 钛丝感应熔化的工艺优化实验
3.4 本章小结
4 非约束式紧耦合雾化器结构优化研究
4.1 非约束式紧耦合雾化器提出
4.2 非约束式紧耦合雾化器数值模拟模型建立
4.2.1 雾化破碎模型选择
4.2.2 边界条件设定与网格剖分
4.2.3 数值模拟参数加载
4.3 雾化气流倾斜角（α'）对雾化流场的影响
4.3.1 雾化气流倾斜角对金属液的作用
4.3.2 雾化气流倾斜角对流场的影响
4.3.3 最优雾化气流倾斜角的实验研究
gap)对雾化流场的影响"> 4.4 雾化气流出口缝宽(dgap)对雾化流场的影响
4.4.1 雾化气流出口缝宽对速度场的影响
4.4.2 雾化气流出口缝宽对温度场的影响
g）对雾化流场的影响"> 4.5 雾化气流直径（Dg）对雾化流场的影响
4.5.1 雾化气流直径对速度场的影响
4.5.2 雾化气流直径对温度场的影响
4.6 本章小结
5 非约束式紧耦合雾化钛熔体破碎及雾化机理研究
5.1 熔体的一次雾化研究
5.1.1 一次雾化模拟的条件设置
5.1.2 一次雾化速度场研究
5.1.3 一次雾化熔体的破碎过程研究
5.2 熔体的二次雾化研究
5.3 熔体的凝固过程研究
5.4 本章小结
6 非约束式紧耦合雾化钛粉制备工艺优化研究
6.1 研究方案及装备
0）对粉体的影响"> 6.2 雾化气流压强（P0）对粉体的影响
s）对粉体的影响"> 6.3 金属熔体过热度（△ts）对粉体的影响
w）对粉体的影响"> 6.4 钛丝进给速度（vw）对粉体的影响
6.5 钛粉制备工艺参数优化
6.5.1 钛粉制备工艺参数优化
6.5.2 钛粉粉体表征
6.6 本章小结
7 非约束式紧耦合雾化制备钛粉的SLM工艺及性能研究
7.1 实验方案及装备
7.2 成形件物理性能
7.3 成形件微观组织与相组成
7.4 成形件力学性能
7.4.1 冲击性能
7.4.2 拉伸性能
7.5 本章小结
8 结论
9 参考文献
附录A 作者简历及在学研究成果
12 学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]3D打印材料及其应用概述[J]. 陈双,吴甲民,史玉升. 物理. 2018(11)
[2]电极感应熔化气雾化制粉技术中非限制式喷嘴雾化过程模拟[J]. 夏敏,汪鹏,张晓虎,葛昌纯. 物理学报. 2018(17)
[3]航空钛合金增材制造的机遇和挑战[J]. 陈玮,李志强. 航空制造技术. 2018(10)
[4]高频感应熔化金属丝气雾化制备球形钛粉[J]. 陆亮亮,刘雪峰,张少明,徐骏,贺会军,盛艳伟. 材料导报. 2018(08)
[5]3D打印截骨槽导板与定位钉导板在全膝关节置换术中的对比研究[J]. 刘帅,姚庆强,田书畅,胡军,周进,魏波,顾强荣,徐燕,王黎明. 中国骨与关节杂志. 2017(05)
[6]粉末钛合金3D打印技术研究进展[J]. 赵霄昊,左振博,韩志宇,徐伟,王庆相,梁书锦,张平祥. 材料导报. 2016(23)
[7]Frontiers of 3D Printing/Additive Manufacturing: from Human Organs to Aircraft Fabrication[J]. Lawrence E.Murr. Journal of Materials Science & Technology. 2016(10)
[8]3D打印用钛及钛合金球形粉末制备技术[J]. 梁永仁,吴引江. 世界有色金属. 2016(12)
[9]球形钛粉先进制备技术研究进展[J]. 陆亮亮,张少明,徐骏,赵新明,盛艳伟,张金辉. 稀有金属. 2017(01)
[10]增材制造用钛合金粉末和高温合金粉末的生产[J]. 张义文. 粉末冶金工业. 2016(01)
博士论文
[1]激光选区熔化成形钛铝合金微观组织与性能演变规律研究[D]. 李伟.华中科技大学 2017
[2]超声速气流中液体横向射流破碎与雾化机理研究[D]. 吴里银.国防科学技术大学 2016
[3]钢棒生产线感应加热过程的数值模拟及实验研究[D]. 赵前哲.华北电力大学 2013
[4]离心喷嘴雾化特性实验研究和数值模拟[D]. 张永良.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
[5]喷射沉积气体流场与雾化机制研究[D]. 赵文军.哈尔滨工业大学 2012
[6]超声速气流中横向燃油喷雾的数值模拟和实验研究[D]. 刘静.北京航空航天大学 2010
硕士论文
[1]TiAl合金熔炼及导流过程的多场耦合作用规律研究[D]. 曾静.哈尔滨工业大学 2017
[2]激光选区熔化近α钛合金工艺基础探究[D]. 周旭.华中科技大学 2015
[3]双级耦合雾化法制备合金粉末的研究[D]. 张维涛.兰州理工大学 2013
[4]紧耦合雾化喷嘴的反压和微细粉末的制备研究[D]. 郭屹宾.中南大学 2009
[5]激光快速成形TC4钛合金的组织和力学性能研究[D]. 张霜银.西北工业大学 2006
[6]电磁感应加热理论研究及强力感应加热器设计[D]. 胡旭东.河北工业大学 2004
本文编号：3152103
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